Способ получения инверсионной населенности на атомах йода

Способ получения инверсионной населенности на атомах йода

Реферат

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.

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 O₂(a¹Δ) можно сделать различными физическими и химическими способами. Поток газа с молекулами синглетного кислорода O₂(a¹Δ) 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.

Поток газа с молекулами синглетного кислорода O₂(a¹Δ) 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.

Поток газа с молекулами синглетного кислорода O₂(a¹Δ) 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].

В данном способе получения молекул O₂(a¹Δ) 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.

Инверсная населенность и лазерный эффект на переходе тонкой структуры атома йода наступают только при выполнении соотношения Y>Y_пор, где Y - отношение концентрации кислорода в состоянии a¹Δ к его суммарной концентрации в состояниях a¹Δ и Х³Σ, а величина Y_пор (T)=(1+1,5ехр(401/T))^-1 есть пороговое содержание синглетного кислорода при температуре Т. Величина порогового содержания Y_пор следует из равновесия обратимой реакции обмена электронной энергии между атомами кислорода и йода: I(²P_1/2)+O₂(Х³Σ)↔I(²P_3/2)+O₂(a¹Δ). При T=300K пороговое содержание Y_пор=0.15, а при T=150K пороговое содержание Y_пор=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 O₂(a¹Δ), большей порогового значения Y_пор.

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 I₂+фотон (λ≈490 нм)=>I(²P_3/2)+I(²P_3/2). 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 ²P_1/2, что схематично можно представить реакцией I(²P_3/2)+фотон (λ≈1315 нм)→I(²P_1/2). Возбужденные атомы йода передают энергию молекулам кислорода в состояние а¹Δ, что можно схематично представить реакцией I(²P_1/2)+O₂(Х³Σ)→I(²P_3/2)+O₂(a¹Δ). После этого в результате взаимодействия молекул O₂(a¹Δ) и атомов йода I(²P_1/2) образуются молекулы кислорода O₂(b¹Σ), что можно схематично представить реакцией I(²P_1/2)+O₂(a¹Δ)→I(²P_3/2)+O₂(b¹Σ). Столкновение молекул кислорода в состоянии b¹Σ с молекулами йода приводит к их дальнейшей диссоциации в реакции I₂+O₂(¹Σ)→I(²Р_3/2)+I(²Р_3/2)+O₂(³Σ). 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 T₁, а содержание синглетного кислорода Y доводится до значения, близкого к величине Y(T₁)=Y_пор(T₁). Оптимальные размеры камер 1 и 2, при которых в кислородно-йодной среде будет достигнута полная диссоциация молекул йода и содержание молекул, равное Y(T₁), 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 T₂, меньшей температуры T₁, реализуется неравенство Y(T₁)>Y_пор(T₂) 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.

Поясним работоспособность способа предлагаемого получения инверсной населенности на конкретном примере. В камеру 1 длиной Х₁=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 J₄₉₀=20 Вт/см² 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 J₄₉₀σ₄₉₀t₁/(4·10^-19 Дж)≈0.01, и концентрация атомов йода будет равна 10¹⁴ см^-3. Здесь 4·10^-19 Дж - энергия фотона с длиной волны 490 нм, σ₄₉₀=2.7·10^-18 см² [Окабе X. Фотохимия малых молекул: Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 504 с.] - сечение фото диссоциации молекул йода, t₁=X₁/U - время облучения. Далее газовый поток поступает в камеру 2 длиной Х₂=10 см по потоку, в которой он облучается излучением с плотностью мощности 10⁴ Вт/см² 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 ²P_1/2, передают энергию возбуждения молекулам кислорода в состоянии a¹Δ. В процессе взаимодействия возбужденных атомов йода и молекул кислорода в состоянии a¹Δ образуются молекулы кислорода в состоянии b¹Σ. Столкновение молекул кислорода в состоянии b¹Σ с молекулами йода вызывает их диссоциацию. Незначительная часть образующихся молекул кислорода в состоянии b¹Σ дезактивируется. В результате расчеты показывают, что на выходе из камеры 2 температура кислородно-йодной смеси составит значение примерно Т₁=500 K, более чем 99% йода будет разложено на атомы. Доля молекул кислорода в состоянии a¹Δ на выходе камеры 2 составит значение Y=0.21, которое несколько меньше значения Y(T₁=500 K)=(1+1.5exp(401/T₁))^-1=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 Т₂=175 K, при которой пороговая доля синглетного кислорода Y_пор=0.063, а концентрация атомов йода будет равна 7.5·10¹⁴ см^-3. В камере 4 выполняется условие Y>Y_пор, поэтому на переходе тонкой структуры атома йода образуется инверсная населенность и коэффициент усиления ~4.5·10^-4 см^-1.

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%.

Способ получения инверсной населенности на атомах йода, заключающийся в оптической накачке газового потока, отличающийся тем, что 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.