Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАГНИТОДИПОЛЬНОМ ПЕРЕХОДЕ ЙОДА
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАГНИТОДИПОЛЬНОМ ПЕРЕХОДЕ ЙОДА

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАГНИТОДИПОЛЬНОМ ПЕРЕХОДЕ ЙОДА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к лазерам, использующим стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, в частности к способам возбуждения с использованием газового разряда газового лазера. Способ включает получение атомарного йода в основном электронном состоянии и последующий перевод атомарного йода в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии. Атомарный йод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10-3800 торр, которая содержит водород, йодсодержащее соединение и буферный газ, воздействуя на йодсодержащее соединение энергетическим пучком с энергией 4,8-10 эВ. Лазерное излучение получают за счет резонансной передачи энергии атомарному йоду от колебательно-возбужденного водорода, который получают воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5-10 эВ. Технический результат изобретения - повышение КПД газового лазера на магнитодипольном переходе йода, повышение качества лазерного излучения, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию, а также повышение экологической чистоты лазера. 4 з.п. ф-лы.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2142185
Класс(ы) патента: H01S3/097
Номер заявки: 98108778/28
Дата подачи заявки: 27.04.1998
Дата публикации: 27.11.1999
Заявитель(и): Государственное предприятие Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Автор(ы): Манукян Г.Ш.; Туманов И.А.; Сербин А.Р.; Валуев В.В.; Ротинян М.А.; Шанский В.Ф.; Казаченко Н.И.; Усанов В.А.
Патентообладатель(и): Государственное предприятие Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Описание изобретения: Изобретение относится к лазерам, использующим стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, в частности к способам возбуждения с использованием газового разряда газового лазера.
Известен способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий фотодиссоциацию алкилиодида CH3I или фтор алкилиодидов CF3I, C3F3I и т.п. под действием импульсных источников с широкой полосой излучения вблизи 270 нм. В результате воздействия излучения происходит перевод молекул в несвязанное возбужденное электронное состояние, а затем диссоциация их на фрагменты типа CnHm или CnFm (находящиеся в основном состоянии) и возбужденный атом йода I(2P1/2) с последующей генерацией лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода [1]:
I(2P1/2) _→ I(2P3/2)+hν.
Поскольку в известном способе используются импульсные источники ультрафиолетового излучения в области полосы поглощения при 270 нм, которые обладают относительно низкой эффективностью, КПД известного способа составляет не более 1%, а лазеры с использованием известного способа получения лазерного излучения характеризуются низкими удельными массогабаритными параметрами. Кроме того, в процессе работы с импульсными источниками ультрафиолетового излучения имеют место газодинамические возмущения активной среды, что в свою очередь оказывает отрицательное воздействие на качество лазерного излучения. Активная среда под воздействием ультрафиолетового излучения претерпевает качественные изменения и требуется ее частая замена.
Известен также способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий получение атомарного иода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии [2].
Электронно-возбужденное состояние атомарного йода I(2P1/2) в известном способе создают резонансной передачей энергии при столкновениях с электронно-возбужденным молекулярным кислородом O2(1Δ):
I(2P3/2)+O2(1<Δ>) _→ I(2P1/2)+O2(3<Σ>),
при этом атомарный йод в основном электронном состоянии I(2P3/2) создают диссоциацией молекулярного йода I2 при столкновениях с электронно-колебательно-возбужденным молекулярным кислородом O2(1Δ,v = 1) и электронно-возбужденным молекулярным кислородом O2(1Δ):
O2(1Δ,v = 1)+I2_→ O2(3Σ)+I2(A3Π2u)
O2(1Δ)+I2(A3Π2u) _→ 2I2(2P3/2)+O2(3<Σ>),
а электронно-возбужденный молекулярный кислород создают в результате химической реакции типа:
H2O2+2NaOH+Cl2_→ 2H2O+2NaCl+O2(1Δ)
с последующим получением лазерной генерации на магнитодипольном переходе йода:
I(2P1/2) _→ I(2P3/2)+hν.
Известный способ предполагает работу с низкими давлениями газовой смеси, порядка 1-10 торр, в результате чего имеют место потери возбужденного йода I(2P1/2) при столкновениях со стенками лазерной кюветы и с парами воды генератора синглетного кислорода, а также потери электронно-возбужденного синглетного кислорода O2(1Δ) на диссоциацию молекулярного йода, что ведет к снижению коэффициента усиления активной среды и, следовательно, снижению КПД лазера и увеличению угловой расходимости лазерного луча в дальней зоне.
Применение известного способа связано с необходимостью использования высококонцентрированных высокотоксичных соединений типа щелочь, перекись водорода, хлор, и выбросом в атмосферу продуктов их реакций, что влечет за собой увеличение капитальных затрат и эксплуатационных расходов, так как требует создания сложных химических реакторов, специальных систем хранения, безопасности и контроля, что, кроме того, снижает удельные массогабаритные параметры лазера.
Задачей создания предлагаемого способа является повышение КПД газового лазера на магнитодипольном переходе йода, повышение качества лазерного излучения, при одновременном снижении затрат на изготовление и эксплуатацию лазера, а также повышении его экологической чистоты.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающем получение атомарного йода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии, атомарный иод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10-3800 торр и следующим соотношением компонентов, об.%:
Водород - 1 - 89
Йодсодержащее соединение - 0,001 - 5
Буферный газ - 10 - 98
воздействием на йодсодержащее соединение энергетическим пучком с энергией 4,8-10 эВ, получают колебательно-возбужденный водород воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5-10 эВ и получают лазерное излучение за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомарному йоду.
Колебательно-возбужденный водород может быть получен в самостоятельном электрическом разряде с использованием в качестве энергетического пучка электронов газоразрядной плазмы.
Колебательно-возбужденный водород может быть также получен в несамостоятельном электрическом разряде с использованием в качестве энергетического пучка электронов газоразрядной плазмы и внешнего ионизирующего излучения.
Целесообразно воздействие энергетическим пучком на йодсодержащее соединение вне зоны электрического разряда.
Колебательно-возбужденный водород может быть получен в смеси газов с минимальным содержанием йодсодержащего соединения, к которой после зоны разряда добавляют смесь газов со следующим соотношением компонентов, об.%:
Йодсодержащее соединение - 0,01 - 10
Буферный газ - 90 - 99
и воздействием на полученную смесь энергетическим пучком для получения атомарного йода.
Лазерное излучение в предлагаемом способе получают за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного молекулярного водорода H2 (v = 2) атомарному йоду I(2P3/2):
H2(v = 2)+I(2P3/2) _→ H2(v = 0)+I(P1/2). (1)
Диссоциация йодсодержащего соединения R-I может протекать в соответствии со следующими реакциями:
R-I+hν _→ R+(I2P1/2), (2)
R-I+e- ---> R+I(2 P1/2)+e-, (3)
R-I+e- ---> R+I-, (4)
где R - радикал йодсодержащего соединения;
I(2P1/2) - возбужденный атом йода;
I- - ион йода.
При энергии пучка, меньшей 4,8 эВ, имеет место реакция (4), в результате которой получаются ионы йода, которым не может быть осуществлена резонансная передача энергии от колебательно-возбужденного водорода в соответствии с реакцией (1).
Резонансная передача энергии от колебательно-возбужденного молекулярного водорода осуществляется только атому йода, который получается в результате реакций (2) или (3), протекающих при энергии пучка равной или превышающей 4,8 эВ. Использование пучков с энергией, превышающей 10 эВ, ведет к необоснованным энергетическим затратам, не оказывающим положительного воздействия на процесс диссоциации.
Колебательно-возбужденный молекулярный водород получают в процессе столкновения водорода с электронами плазмы электрического разряда:
H2(v = 0)+e-_→ H2(v = 2)+e-, (5)
H2(v = 0)+e-_→ H2(v = 1)+e-, (6)
H2(v = 1)+H2(v = 1) _→ H2(v = 0)+H2(v = 2) (7)
При средней энергии электронов разряда в диапазоне 1,5-2,5 эВ в колебательные степени свободы молекулярного водорода передается 65-70% энергии разряда. При энергии электронов разряда менее 0,5 эВ или свыше 10 эВ количество молекул водорода в колебательно-возбужденном состоянии недостаточно для эффективной передачи энергии атомарному йоду, что резко снижает коэффициент усиления лазера, так как энергии менее 0,5 эВ недостаточно для возбуждения водорода, а энергия более 10 эВ тратится на возбуждение электронных уровней водорода, так как значительно превышает уровень энергии, необходимый для колебательного возбуждения водорода.
Наличие в составе газовой смеси буферного газа необходимо для создания электронов плазмы, которые необходимы для эффективного возбуждения водорода.
При содержании в смеси газов буферного газа более 98 об.% и, следовательно, водорода менее 1 об.% количество молекул водорода, находящихся в колебательно-возбужденном состоянии недостаточно для эффективной резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомам йода, т.е. коэффициент усиления активной среды низок, а при содержании в смеси газов водорода свыше 89 об.% и, следовательно, буферного газа менее 10 об.% образуется недостаточное количество электронов плазмы для эффективного колебательного возбуждения молекулярного водорода.
Наличие в составе смеси газов йодсодержащего соединения в количестве менее 0,001 об.% количество образующихся атомов йода недостаточно для получения необходимого значения коэффициента усиления активной среды, а увеличение в составе смеси газов йодсодержащего соединения в количестве, превышающем 5 об. %, приводит к образованию молекул I2 и HI и увеличению скорости тушения возбужденного йода.
В предлагаемом способе колебательно-возбужденный водород получают путем воздействия на него электрического разряда (КПД которого достигает 85-90%); давление газовой смеси составляет 10-3800 торр, что исключает потери активных частиц при соударениях со стенками лазерной кюветы; для создания атомарного йода используют энергетический пучок от внешнего источника. Благодаря указанной совокупности факторов КПД лазера, основанного на применении предлагаемого способа, может достигать порядка 20%.
Высокое давление газовой смеси позволяет получить высокий коэффициент усиления активной среды, что в свою очередь позволяет применить малодобротные высокоселективные неустойчивые оптические резонаторы и, следовательно, уменьшить угловую расходимость лазерного луча в дальней зоне.
Возможность многократного использования исходной газовой смеси, не содержащей химически-активных, высокотоксичных компонентов, а также применение только электрических способов воздействия на активные компоненты газовой смеси позволяет снизить капитальные затраты, эксплуатационные расходы, улучшить массогабаритные параметры лазера и повысить его экологическую чистоту.
Электроны газоразрядной плазмы самостоятельного и несамостоятельного разряда могут быть использованы как для получения колебательно-возбужденного водорода, так и для получения атомарного йода диссоциацией йодсодержащего соединения.
Получение атомарного йода воздействием энергетического пучка вне зоны электрического разряда позволяет снизить энергию электронов электрического разряда, используемого для получения колебательно-возбужденного водорода.
Диссоциация йодсодержащего соединения при малых значениях энергии электронов электрического разряда протекает в соответствии с реакцией (4), что исключает возможность резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода получаемым ионам йода, поэтому при этих условиях йодсодержащее соединение добавляют после зоны разряда, где и осуществляют воздействие на него энергетическим пучком для получения атомарного йода.
Предлагаемый способ был опробован в экспериментальном макете лазера. Была использована газовая смесь при давлении 760 торр следующего состава, об. %:
Водород - 30
Фторалкилиодид - 0,01
Аргон - 69,99
В качестве йодсодержащего соединения могут быть также использованы молекулярный йод (I2), алкилиодиды (CnHmI), фторалкилиодиды (CnFmI) и т.п., а также их смеси.
В качестве буферного газа могут быть также использованы гелий, неон, криптон, азот и т.п., а также их смеси.
Приведенная напряженность электрического поля в разряде составляла E/P = 3,5 В/см/торр, а плотность пучка внешнего электронного ускорителя 3-5 мА/см2.
Значение коэффициента усиления активной среды составляло 1,8-2,0-10-2 см-1, что значительные превышает коэффициент усиления активной среды йодкислородного лазера (1-3 · 10-3 см-1).
Был также опробован способ получения лазерного излучения вне зоны электрического разряда. Смесь газов, содержащая следующее количественное соотношение компонентов, об.%:
Водород - 30
Фторалкилиодид - 0,001
Аргон - 69,999,
пропускали через зону электрического разряда с приведенной напряженностью электрического поля в разряде E/P = 3,5 В/см/торр, и плотностью пучка внешнего электронного ускорителя 3-5 мА/см2. После зоны разряда добавляли смесь газов со следующим количественным соотношением компонентов, об.%:
Фторалкилиодид - 20
Аргон - 80
Полученную смесь газов облучали импульсной лампой с широкой полосой излучения вблизи 270 нм.
Значение коэффициента усиления активной среды составляло 3,8-5,0·10-2 см-1, что также значительно превышает коэффициент усиления активной среды йодкислородного лазера (1-3·10-3 см-1).
Источники информации
1. Kasper J.V.V., Pimentel G.C., Appl. Phys. Lett., 5, 231, (1964).
2. Derwent R. G. , Kearns D.R., Thrush B.A. Chem. Phys. Lett., 6, 115, (1970).
Формула изобретения: 1. Способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий получение атомарного йода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии, отличающийся тем, что атомарный йод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10 - 3800 Торр и следующим соотношении компонентов, об.%:
Водород - 1 - 89
Йодсодержащее соединение - 0,001 - 5
Буферный газ - 10 - 98
воздействием на него энергетическим пучком с энергией 4,8 - 10 эВ, получают колебательно-возбужденный водород воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5 - 10 эВ и получают лазерное излучение за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомарному йоду.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что колебательно-возбужденный водород получают в самостоятельном электрическом разряде, при этом в качестве энергетического пучка используют электроны газоразрядной плазмы.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что колебательно-возбужденный водород получают в несамостоятельном электрическом разряде, при этом в качестве энергетического пучка используют электроны газоразрядной плазмы и внешнее ионизирующее излучение.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергетический пучок воздействует на йодсодержащее соединение вне зоны электрического разряда.
5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что колебательно - возбужденный водород получают в смеси газов с минимальным содержанием йодсодержащего соединения и последующим добавлением после зоны разряда смеси газов со следующим количественным соотношением компонентов, об.%:
Йодсодержащее соединение - 0,01 - 10
Буферный газ - 90 - 99
а затем воздействуют на полученную смесь энергетическим пучком.