Патент на изобретение №2321118
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) КИСЛОРОД-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР
(57) Реферат:
Кислород-йодный лазер содержит камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм, на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(2P1/2) на уровень I(2Р3/2). А также устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа. В него введены разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода, а также введен оптический резонатор СО-лазера для дополнительной генерации излучения с длиной волны
Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании источников когерентного излучения на переходах состояний атомов йода и, дополнительно, молекул окиси углерода. Изобретение решает задачу создания газоразрядного кислород-йодного лазера с расширенным спектральным диапазоном и улучшенными эксплуатационными характеристиками, генерирующего излучение как на переходах атома йода(I), так и на переходах молекулы окиси углерода (СО). В химическом кислород-йодном лазере для наработки синглетного кислорода в химический реактор подают газообразный хлор и щелочной раствор перекиси водорода, предварительно охлажденный до температуры -15÷-20°С. В реакторе щелочной раствор перекиси водорода взаимодействует с газообразным хлором, образуя кислород с возбужденным первым электронным уровнем O2(a1 Йодный лазер с химической накачкой описан в заявке Японии №4-16955 В4, Н01S 3/095, опубликованной 25.03.1992 года. Основными узлами лазера являются химический генератор синглетного кислорода и оптический резонатор, в который поступает синглетный кислород (с другими продуктами реакции, в частности с хлором) и атомарный йод, и в котором, в результате резонансной передачи энергии от молекул кислорода, образуются атомы йода в состоянии I(2P1/2). Эксплуатация такого лазера требует применения специальных мер химической безопасности, в частности применения специальных материалов и индивидуальной защиты обслуживающего персонала, поскольку исходные реагенты химически агрессивны, а газовая смесь, выходящая из реактора, содержит, кроме кислорода и паров воды, перекись водорода и непрореагировавший хлор. Кроме того, поскольку газообразные продукты химической реакции не конвертируются в исходные химические компоненты, лазер такого типа имеет незамкнутый газовый контур, что требует применения специальных устройств утилизации продуктов химических реакций. Сущность изобретения заключается в конструкции кислород-йодного лазера, содержащего камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1.315 мкм на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(2Р1/2) на уровень I(2P3/2), отличающейся тем, что в нее введены устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа, разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода. В этом лазере используется одна из следующих газовых сред: (O2:Ar), (O2:Не), (O2:CO:Ar), (O2:H2:Ar), (O2😀2:Ar). В качестве газовой среды могут быть использованы также смеси кислорода с другими инертными газами, в состав которых могут входить молекулярные газы, способствующие, как и молекулы СО, Н2, D22:СО:Ar) после разрядной камеры может быть расположен дополнительный оптический резонатор СО-лазера. В этом исполнении предлагаемая конструкция будет, кроме излучения на переходах атома йода(I) с длиной волны Последовательность расположения оптических резонаторов кислород-йодного и СО-лазера может определяться назначением заявляемого лазера. Если требуется достичь максимальной эффективности получения когерентного излучения СО-лазера, сразу за разрядной камерой целесообразно расположить резонатор СО-лазера, а затем резонатор кислород-йодного лазера. И наоборот, если требуется достичь максимальной эффективности получения когерентного излучения кислород-йодного лазера, сразу за разрядной камерой целесообразно расположить резонатор кислород-йодного лазера, а затем резонатор СО-лазера. Данное условие определяется тем, что при генерации когерентного излучения, происходит сопутствующее выделение тепловой энергии с нагревом рабочей смеси газов, а чем выше температура, тем меньше инверсная заселенность лазерных уровней. Технический результат изобретения заключается в создании газоразрядного кислород-йодного лазера, работающего на длине волны 1,315 мкм, (излучение на переходах атома йода (I2)), при эксплуатации которого отпадает необходимость использования химических реакторов, требующих специальных мер химической безопасности, и который может быть выполнен в виде комбинированного лазера с устройством для дополнительной генерации когерентного излучения на длине волны 2,7 мкм (излучение на колебательных переходах молекулы СО). На прилагаемых чертежах приведены примеры возможной реализации изобретения. Конструктивная схема лазера с газоразрядным получением синглетного кислорода (Фиг.1) включает: 1 – устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O2:Ar), (O2:Не), (O2:СО:Ar), (O2:Н2:Ar), (O2😀2:Ar); 2 – устройство сверхзвукового истечения газа; 3 – разрядная камера; 4 – широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок; 5 – источник питания; 6 – камера смешения атомарного йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом; 7 – устройство подачи йода; 8 – оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1,315 мкм. В конструкции лазера (Фиг.1) смесь кислорода с инертным газом и молекулярным газом, повышающим устойчивость разряда, например (O2-16 В/см22P1/2) и I(2P3/2), которое можно вычислить по формуле
где Y – величина инверсии между уровнями I(2P1/2) и I(2Р3/2); Т – температура газовой смеси; [O2(al Йод в камеру смешения 6 поступает из устройства подачи йода (7). После камеры смешения рабочая смесь поступает в оптический резонатор 8, в котором на магнитно-дипольном переходе йода с уровня I(2Р1/2) на уровень I(2Р3/2) генерируется когерентное излучение с длиной волны 2Р1/2) и I(2Р3/2). В работе (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-susteined electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982) показано, что концентрацию синглетного кислорода [O2(a1 Таким образом, представленная на Фиг.1 конструкция лазера, оснащенная устройством газодинамического охлаждения газа для понижения порогового уровня инверсии между уровнями I(2Р1/2) и I(2Р3/2), позволяет реализовать газоразрядный кислород-йодный лазер. Газоразрядный кислород-йодный лазер можно реализовать и с замкнутым газовым контуром, поскольку на выходе из резонатора 8 исходная смесь, поступающая из устройства 1 (Фиг.1), содержит в себе дополнительно только йод, который при низких температурах превращается в кластеры, которые можно удалить из смеси пассивной (фильтры) или принудительной сепарацией (центрифуга). Схема конструкции газоразрядного кислород-йодного лазера с замкнутым газовым контуром представлена на Фиг.2, где 1 – устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O2:Ar), (O2:He), (O2:CO:Ar), (O2:H2:Ar), (O2😀2:Ar); 2 – устройство сверхзвукового истечения газа; 3 – разрядная камера; 4 – широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок; 5 – источник питания; 6 – камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом; 7 – устройство подачи йода; 8 – оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1.315 мкм; 9 – сверхзвуковой диффузор; 10 – теплообменник; 11 – система удаления йода; 12 – устройство прокачки газа; 13, 14 – теплообменники; 15, 16, 17, 18 – поворотные колена. В данной конструкции кислородная рабочая газовая смесь, например (O2:СО:Ar), из устройства 1 напускается в замкнутый газовый контур лазера до достижения заданного давления. При включении устройства прокачки 12 (например, компрессора или вентилятора) и при выходе на заданный режим газовая смесь прокачивается по газодинамическому контуру лазера. Газовая смесь в устройстве 2 разгоняется до сверхзвуковой скорости с целью ее охлаждения до заданного уровня, охлажденный газ поступает в разрядную камеру 3, разряд в которой контролируется электронным пучком от широкоапертурного ускорителя электронов 4, регулируемое напряжение на разрядную камеру подается от источника питания 5, смешение синглетного кислорода и йода производится в камере смешения 6, йод поступает в камеру смешения из устройства подачи йода 7, генерация когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм производится в оптическом резонаторе 8, обратный перевод потока в дозвуковой режим производится в сверхзвуковом диффузоре 9. Перевод потока в дозвуковой режим в сверхзвуковом диффузоре 9 производится для уменьшения гидравлических потерь на элементах газового контура и улучшения условий работы устройства прокачки 12. Поскольку при торможении потока в сверхзвуковом диффузоре 9 происходит повышение температуры газа, которая может заметно превысить начальное значение из-за вложенной в газ энергии в разрядной камере, за сверхзвуковым диффузором 9 расположен теплообменник 10, понижающий температуру газа до уровня, при котором происходит интенсивное образование кластеров йода, например до 260К. Удаление йода из газовой смеси происходит в системе 11, путем осаждения и фильтрования, или центробежного разделения, или электростатическим осаждением, либо другим способом. Для создания оптимального теплового режима на входе в устройство прокачки 12 и на входе в устройство сверхзвукового истечения газа 2, в газовом контуре могут быть предусмотрены темплообменники 13, 14. Поворот потока осуществляется поворотными коленами 15, 16, 17, 18. Использование смесей (O2:СО:Ar), (О2:Н2:Ar), (O2😀2:Ar) обусловлено тем, что газы СО, Н2 или D2 уменьшают вероятность развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости разряда, повышая энерговклад в его объем. Установлено также, что в смеси O2:СО:Ar происходит эффективное заселение колебательных уровней молекулы СО (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). Использование смесей (O2:СО:Ar), (O2:H2:Ar), (O2😀2:Ar) обусловлено тем, что газы СО, Н2 или D2 уменьшают вероятность развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости разряда, повышая энерговклад в его объем. Установлено также, что в смеси O2:СО:Ar происходит эффективное заселение колебательных уровней молекулы СО (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). Поскольку в предлагаемой конструкции разряд, контролируемый электронным пучком, функционирует при условиях, характерных для газоразрядного СО-лазера, а температура 100÷150К, при которой высокая инверсия между уровнями I(2Р1/2) и I(2Р3/2), является также рабочей температурой для СО-лазера, включение в конструкцию дополнительного оптического резонатора СО-лазера (позиция 9, Фиг.3) позволит наряду с излучением на длине волны кислород-йодного лазера Схема конструкции такого комбинированного газоразрядного кислород-йодного лазера и СО-лазера с открытым газовым контуром представлена на Фиг.3, где 1 – устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (О2:Ar), (O2:Не), (O2:СО:Ar), (O2:Н2:Ar), (O2😀2:Ar); 2 – устройство сверхзвукового истечения газа; 3 – разрядная камера; 4 – широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок; 5 – источник питания; 6 – камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом; 7 – устройство подачи йода; 8 – оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1,315 мкм; 19 – оптический резонатор СО-лазера для генерации излучения на длине волны 2,7 мкм. Схема конструкции комбинированного газоразрядного кислород-йодного лазера и СО-лазера с замкнутым газовым контуром представлена на Фиг.4, где 1 – устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O2:Ar), (O2:Не), (O2:CO:Ar), (O2:H2:Ar), (O2😀2:Ar); 2 – устройство сверхзвукового истечения газа; 3 – разрядная камера; 4 – широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок; 5 – источник питания; 6 – камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом; 7 – устройство подачи йода, 8 – оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1.315 мкм; 9 – сверхзвуковой диффузор, 10 – теплообменник, 11 – система удаления йода; 12 – устройство прокачки газа; 13, 14 – теплообменники; 15, 16, 17, 18 – поворотные колена; 19 – оптический резонатор СО-лазера для генерации излучения на длине волны 2,7 мкм.
Формула изобретения
1. Кислород-йодный лазер, содержащий камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм, на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(2P1/2) на уровень I(2Р3/2), устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа, отличающийся тем, что в него введены разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода, а также введен оптический резонатор СО-лазера для дополнительной генерации излучения с длиной волны 2. Кислород-йодный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве смеси газов используется одна из следующих газовых сред: (O2:Ar), (O2:Не), (O2:CO:Ar), (O2:H2:Ar), (O2😀2:Ar). 3. Кислород-йодный лазер по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с замкнутым газовым контуром, включающим дополнительно сверхзвуковой диффузор, теплообменники, систему удаления йода из рабочей смеси, устройство прокачки газа и поворотные колена.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
=2,7 мкм на колебательно-вращательных переходах состояний молекулы окиси углерода, расположенный за разрядной камерой или после оптического резонатора для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм. В качестве смеси газов используется одна из следующих газовых сред: (O2:Ar), (O2:Не), (O2:CO:Ar), (O2:H2:Ar), (O2😀2:Ar). Кроме того, кислород-йодный лазер выполнен с замкнутым газовым контуром, включающим дополнительно сверхзвуковой диффузор, теплообменники, систему удаления йода из рабочей смеси, устройство прокачки газа и поворотные колена. Технический результат – создание газоразрядного кислород-йодного лазера, работающего на длине волны 1,315 мкм, (излучение на переходах атома йода (I2)), при эксплуатации которого отпадает необходимость использования химических реакторов, требующих специальных мер химической безопасности, и который может быть выполнен в виде комбинированного лазера с устройством для дополнительной генерации когерентного излучения на длине волны 2,7 мкм (излучение на колебательных переходах молекулы СО). 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
g), (синглетный кислород). Синглетный кислород подают в лазерный объем одновременно с атомами йода, где происходит передача энергии возбуждения от синглетного кислорода атомам йода с последующей генерацией в оптическом резонаторе когерентного излучения (
I(2P3/2)+h
. Здесь I(2P1/2) – атом йода, резонансно возбужденный на уровень 2P1/2 при переходе к нему энергии от молекулы синглетного кислорода O2(a1
2Р1/2).
