РАБОЧАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ЙОДНОГО ФОТОДИССОЦИОННОГО ЛАЗЕРА
WORKING MIXTURE FOR IODINE PHOTODISSOCIATION LASER

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании йодных фотодиссоционных лазеров с оптической накачкой.
К таким лазерам относится йодный фотодиссоционный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используются различные перфторйодиды (Кормер С.Б. "Фотодиссоционные лазеры для управляемого термоядерного синтеза", Изв. АН СССР, Сер. физ, т.44, №10, 1980, с.2002…2017).
При эксплуатации этого лазера встают вопросы поднятия энергетики на выходе и воспроизводимости этой энергии. Йодный фотодиссоционный лазер работает следующим образом.
При инициировании рабочей среды оптическим излучением происходит фотолиз йодосодержащего вещества, который может быть представлен в следующем виде:
н
1/2
3
2
5
3
7
2
где RI - перфторйодид, hν - квант оптической накачки, I* - йод в возбужденном состоянии (I(P)), R - радикал CF, CF, CF и др. Генерация происходит по схеме:
г
3/2
2
где hv - рабочий квант излучения лазера (λ=1.315 мкм), I - атом йода в основном состоянии (I(Р)), но на работу йодного лазера влияют и вторичные химические реакции, такие как рекомбинация рабочего вещества
3
7
3
т.е. атомы не накапливаются на нижнем лазерном уровне, в результате чего образуются молекулы исходного рабочего йодида, например, CFI, CFI и т.д., которые вновь фотодиссоциируют по схеме (1). Реакция рекомбинации играет определяющую роль в кинетике йодных фотодиссоционных лазеров.
В рабочей среде протекают и "вредные" процессы, такие как процессы тушения возбужденных атомов йода как исходными продуктами, так и возникающими в процессе фотолиза
2
2
сопровождающиеся наработкой молекулярного йода (I) и загрязнением стеклянных поверхностей, а также процесс димеризации, снижающий роль реакции (3), т.е. образующийся в процессе фотолиза из радикалов димер (R), уводит из процесса необходимые для рекомбинации радикалы R:
Для решения вопроса очистки, например, использовались дорогостоящие установки замкнутого цикла по очищению рабочей смеси от продуктов фотолиза и, в частности, от молекулярного йода, являющегося, кроме того, сильнейшим тушителем возбужденного йода. Применение таких установок не решило радикально стоящие вопросы (Борович Б.Л., Зуев B.C., Катулин В.А. и др. "Сильноточные излучающие разряды и газовые лазеры с оптической накачкой". - М.: Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т.15, 1978).
3
3
3
3
3
3
Известна рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, применение которой частично решает вопрос поднятия энергетики йодного фотодиссоционного лазера (Srinivasan R., Lankard J.R. J. Phys. Chem. "The Role of CF-Radicals in the Photochemical Iodine Laser", v.78, №10, 1974, р.951). Рабочая смесь содержит основное рабочее вещество перфторйодид CFI и в качестве инжектора радикалов гексафлюороазометан CFNNCF. Находясь в рабочем объеме лазера и подвергаясь воздействию световой накачки, добавка гексафлюороазометан CFNNCF фотодиссоциирует по следующей схеме
3
3
создавая избыток радикалов CF, которые рекомбинируют по схеме (3) в рабочий йодид CFI.
Недостатком известной рабочей смеси является нерешенность проблемы загрязнения рабочего объема продуктами фотолиза, что отрицательно сказывается на энергетическом выходе лазера.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение энергетического выхода лазера и снижение загрязненности рабочего объема твердыми продуктами фотолиза.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:
- увеличение энергии на выходе лазера;
-7
-1
-5
- обеспечение малой расходимости и хорошей однородности лазерного пучка с увеличением энергии на выходе: эффективный градиент показателя преломления рабочей среды при максимальной накачке составляет dn/dx~8·10 см и при L=100 см расходимость составляет ~8·10 рад.
- снижение загрязнения рабочего объема твердыми продуктами фотолиза.
3
3
3
2
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, включающая газообразный перфторйодид и инжектор дополнительных радикалов CF, согласно изобретению в качестве инжектора радикалов CF содержит газообразный перфторуксусный ангидрид (CFCO)О при парциальном давлении 0,05-0,5 от парциального давления перфторйодида. Рабочая смесь может дополнительно содержать буферный газ.
3
7
3
7
4
9
2
5
3
2
6
В качестве йодосодержащего вещества могут использоваться различные перфторйодиды: i-CFI, n-CFI, t-CFI, CFI, CFI и т.д. В качестве буферного газа выбираются химически инертные газы (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, N, SF и др.).
3
Под воздействием излучения накачки фотодиссоциация с перфторуксусным ангидридом протекает по следующей схеме (Кузнецова С.В., Маслов А.И. "Исследование реакций радикала CF с атомарным и молекулярным хлором". Химия высоких энергий, т.13, №5, 1979, с.448):
3
2
т.е. в результате фотодиссоциации в рабочей смеси образуется избыток радикалов (CF) и буферные газы (CO и СО). Появление в рабочей среде химически активных молекул СО может способствовать переводу нелетучих загрязняющих продуктов фотолиза в летучие и тем самым способствовать очищению стеклянных поверхностей рабочего объема. Далее, что очень важно, в рабочем объеме с вновь образовавшимися радикалами и йодом (в основном состоянии) по схеме (3) происходит процесс рекомбинации:
3
3
7
3
7
4
9
и получившееся новое рабочее вещество - перфторйодид CFI фотодиссоциирует по схеме (1), как и основной рабочий перфторйодид, использующийся в конкретном случае, такой как, например, i-CFI, n-CFI, t-CFI и т.д.
Кроме увеличения энергии на выходе лазера, экспериментально установлено, что предлагаемый перфторуксусный ангидрид удовлетворяет требованиям к рабочей смеси йодного лазера по времени появления оптических неоднородностей в рабочем объеме.
2
1/2
2
Предлагаемая рабочая смесь имеет оптимум по давлению составляющих компонентов. Сам перфторуксусный ангидрид является хоть и слабым (по сравнению с молекулярным йодом I), но тушителем возбужденного йода (I(Р)). С повышением давления ангидрида процесс рекомбинации (3) будет конкурировать с процессами тушения (4, 5). Кроме того, из-за совпадения полос поглощения с основным рабочим веществом, ангидрид будет как бы экранировать основное рабочее вещество. Этим и определяется диапазон используемых давлений.
3
2
На чертеже показаны экспериментальные данные по отработке рабочих смесей для йодного фотодиссоционного лазера, а именно приведена зависимость лазерной энергии от парциального давления перфторуксусного ангидрида (CFCO)O:
3
7
6
зависимость 1-30 Торр i-CFI+705 Торр SF;
3
7
6
зависимость 2-40 Торр i-CFI+705 Торр SF.
3
7
6
3
7
6
Для определения динамического диапазона применения перфторуксусного ангидрида было приготовлено некоторое количество составов рабочих смесей, два из них приведены на чертеже. Первоначально готовилась рабочая смесь: 30 Торр i-CFI+705 Торр SF и далее к этой (основной) смеси добавлялся порциями перфторуксусный ангидрид. В результате срабатывания лазером получена экспериментальная зависимость (кривая 1). Первоначально заметен рост выходной лазерной энергии, а затем спад. Максимум выходной энергии наблюдается при ~8 Торр перфторуксусного ангидрида, а при 15 Торр рост прекращается, что составляет 0,5 от давления рабочего перфторйодида. Во втором случае (кривая 2) первоначально готовилась рабочая смесь: 40 Торр i-CFI+705 Торр SF. Максимум выходной энергии наблюдается при ~10 Торр перфторуксусного ангидрида, а при 20 Торр рост прекращался, что также составляет 0,5 от давления рабочего перфторйодида. Таким образом, была зафиксирована динамическая пропорция основного рабочего вещества и перфторуксусного ангидрида, при которой регистрируется рост лазерной энергии высокого качества. В результате вариаций парциальными давлениями газов незначительный прирост выходной энергии компенсировался достижением высокого качества лазерной энергии, т.е. малой расходимостью и хорошей однородностью лазерного пучка. Направленность излучения лазера определяется степенью однородности показателя преломления рабочей среды в зоне генерации (усиления). В частности, направленность (расходимость) излучения в усилительном режиме определяется выражением
-7
-1
-5
где dn/dx - поперечный градиент показателя преломления рабочей среды, L - освещаемая лампой накачки длина кюветы йодного лазера. В нашем случае эффективный градиент показателя преломления рабочей среды при максимальной накачке составлял dn/dx~8·10см и при L=100 см расходимость составляла ~8-10 рад.
По результатам экспериментов окончательно была определена рабочая смесь йодного фотодисоционного лазера, которая содержит йодосодержащее вещество, инжектор радикалов и буферный газ в качестве разбавителя при следующих соотношениях парциальных давлений компонентов:
Йодосодержащее вещество
1
Инжектор радикалов
0.05-0.5
Буферный газ
3-200
при этом полное давление рабочей среды йодного лазера может составлять 100-1000 Торр.