Химический лазер - Chemical laser

А химический лазер это лазер который получает свою энергию от химическая реакция. Химические лазеры могут достигать непрерывная волна выход с мощностью до мегаватт уровни. Они используются в промышленности для резки и сверления.

Распространенными примерами химических лазеров являются химический кислородно-йодный лазер (КАТУШКА), полностью газофазный йодный лазер (AGIL), а фтороводород (HF) и фторид дейтерия (DF) лазеры, все работающие винфракрасный область, край. Также есть DF – CO2 лазер (фторид дейтерия –углекислый газ ), который, как и COIL, является «лазером переноса». HF- и DF-лазеры необычны тем, что есть несколько переходов энергии молекул с энергией, достаточной для преодоления порога, необходимого для генерации. Поскольку молекулы сталкиваются недостаточно часто для перераспределения энергии, несколько из этих лазерных режимов работают либо одновременно, либо в чрезвычайно быстрой последовательности, так что HF или DF-лазер, по-видимому, работает одновременно на нескольких длинах волн, если только устройство выбора длины волны не установлено. включены в резонатор.

Происхождение химического HF / DF-лазера CW

Возможность создания инфракрасных лазеров на основе колебательно-возбужденных продуктов химической реакции была впервые предложена Джон Полани в 1961 г.[1] А пульсирующий химический лазер продемонстрировали Джером В. В. Каспер и Джордж К. Пиментел в 1965 г.[2] Первый, хлор (Cl2) энергично фотодиссоциировал на атомы, которые затем реагировали с водородом, давая хлористый водород (HCl) в возбужденное состояние подходит для лазера. потом фтороводород (HF) и фторид дейтерия (DF) были продемонстрированы. Пиментель продолжил исследование DF-CO2 переносной лазер. Хотя в этой работе не был создан чисто химический лазер непрерывного действия, она проложила путь, показав жизнеспособность химической реакции как механизма накачки для химического лазера.

В непрерывная волна (CW) химический HF лазер был впервые продемонстрирован в 1969 г.,[3] и запатентовано в 1972 г.,[4] Д. Дж. Спенсер, Т. А. Джейкобс, Х. Мирельс и Р. В. Ф. Гросс в Аэрокосмическая корпорация в Эль Сегундо, Калифорния. В этом устройстве использовалось смешивание соседних потоков H2 и F в пределах оптический резонатор, чтобы создать колебательно-возбужденные ВЧ, которые лазерный. Атомарный фтор был получен диссоциацией SF6 газ с использованием ОКРУГ КОЛУМБИЯ электрический разряд. Позже работал в подрядных организациях армии США, ВВС США и ВМС США (например, TRW ) использовали химическую реакцию для получения атомарного фтора, концепция, включенная в раскрытие патента Spencer et al.[4] Последняя конфигурация устранила потребность в электроэнергии и привела к разработке мощных лазеров для военных приложений.

Анализ характеристик HF-лазера затруднен из-за необходимости одновременного учета гидродинамика смешение соседних сверхзвуковых потоков, множественные не-равновесие химические реакции и взаимодействие получить средний с оптическим резонатором. Исследователи из The Aerospace Corporation разработали первый точный аналитический (лист пламени ) решение,[5] первое решение числового компьютерного кода[6] и первая упрощенная модель[7] описание характеристик химического лазера CW HF.

Химические лазеры стимулировали использование волново-оптических расчетов для анализа резонаторов. Первым в этой работе был Э. А. Шиклас (Пратт и Уитни ) и А. Э. Зигман (Стэндфордский Университет ).[8][9] Часть I их работы касалась Разложение Эрмита-Гаусса и получил мало пользы по сравнению с Частью II, которая касалась Быстрое преобразование Фурье метод, который теперь является стандартным инструментом в United Technologies Corporation, Локхид Мартин, SAIC, Боинг, tOSC, MZA (волновой шлейф) и OPCI. Большинство этих компаний конкурировали за контракты на создание HF- и DF-лазеров для DARPA, ВВС США, Армия США или ВМС США на протяжении 1970-х и 1980-х годов. General Electric и Pratt & Whitney выбыли из соревнований в начале 1980-х годов, оставив поле в Rocketdyne (теперь часть Пратт и Уитни - хотя лазерная организация остается сегодня у Boeing) и TRW (теперь часть Northrop Grumman ).

Комплексные химические лазерные модели были разработаны в SAIC Р. К. Уэйдом,[10] в TRW от C.-C. Ши,[11] Д. Баллок и М. Э. Лейнхарт,[12] и в Rocketdyne Д. А. Холмса и Т. Р. Уэйта.[13] Из них, пожалуй, самым сложным был CROQ кода в TRW, опережая ранние работы в Аэрокосмическая корпорация.[нужна цитата ]

Спектакль

Ранние аналитические модели в сочетании с исследованиями скорости химии[14] привела к созданию эффективных экспериментальных лазерных устройств CW HF в United Aircraft,[15] и Аэрокосмическая корпорация.[16] Уровни мощности до 10 кВт были достигнуты. Генерация DF была получена заменой D2 для ч2. Группа из United Aircraft Research Laboratories произвела рециркулирующий химический лазер,[17] который не зависел от непрерывного потребления химических реагентов.

Группа компаний TRW Systems в Редондо-Бич, Калифорния, впоследствии получил контракты ВВС США на создание более мощных CW HF / DF лазеров. Используя увеличенную версию конструкции Aerospace Corporation, TRW достиг уровня мощности 100 кВт. General Electric, Pratt & Whitney & Rocketdyne построили различные химические лазеры на средства компании в ожидании получения от Министерства обороны контрактов на создание еще более крупных лазеров. Только Rocketdyne получила контракты, достаточные для продолжения конкуренции с TRW. TRW произвела МИРАКЛ устройство для ВМС США, достигшее уровня мощности в мегаватт. Последний считается самым мощным непрерывным лазером любого типа, разработанным на сегодняшний день (2007 г.).

Компания TRW также произвела цилиндрический химический лазер (модель Альфа-лазер ) для DARPA, теоретическим преимуществом которого было возможность масштабирования до еще больших мощностей. Однако к 1990 г. интерес к химическим лазерам сместился в сторону более коротких волн, и химический кислородно-йодный лазер (COIL) вызвала наибольший интерес, производя излучение на 1,315 мкм. Еще одно преимущество заключается в том, что COIL-лазер обычно производит излучение с одной длиной волны, что очень полезно для формирования очень хорошо сфокусированного луча. Этот тип COIL-лазера используется сегодня в ABL (Airborne Laser, сам лазер строится Northrop Grumman) и в ATL (Advanced Tactical Laser) производства компании Boeing. Между тем, для THEL (Tactical High Energy Laser), построенный в конце 1990-х годов для Министерства обороны Израиля в сотрудничестве с SMDC армии США. Это первый активированный лазер высокой энергии, который продемонстрировал эффективность в довольно реалистичных испытаниях против ракет и артиллерии. В МИРАКЛ Лазер продемонстрировал эффективность против определенных целей, пролетевших перед ним на Ракетном полигоне Белых Песков, но он не настроен для реальной службы в качестве боевого оружия. ABL удалось сбить несколько полноразмерных ракет со значительного расстояния, а ATL удалось вывести из строя движущиеся наземные транспортные средства и другие тактические цели.

Несмотря на эксплуатационные преимущества химических лазеров, министерство обороны прекратило все разработки химических лазерных систем с прекращением работы испытательного стенда для бортовых лазеров в 2012 году. Стремление к «возобновляемому» источнику энергии, то есть отсутствию необходимости поставлять необычные химические вещества, такие как фтор, дейтерий, щелочной пероксид водорода или йод побудили Министерство обороны США настаивать на лазерах с электрической накачкой, таких как щелочные лазеры с диодной накачкой (DPALS).[18][неудачная проверка ]

Рекомендации

  1. ^ Поланьи, Дж. К. (1961). «Предложение по инфракрасному мазеру, зависящему от колебательного возбуждения». Журнал химической физики. 34 (1): 347–348. Bibcode:1961ЖЧФ..34..347П. Дои:10.1063/1.1731608.
  2. ^ Каспер, Дж. В. В .; Пиментель, Г. К. (1965). «Химический лазер HCl». Письма с физическими проверками. 14 (10): 352–354. Bibcode:1965ПхРвЛ..14..352К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.14.352.
  3. ^ Спенсер, Д. Дж .; Jacobs, T. A .; Mirels, H .; Гросс, Р. В. Ф. (1969). «Непрерывный химический лазер». Международный журнал химической кинетики. 1 (5): 493–494. Дои:10.1002 / кин.550010510.
  4. ^ а б Спенсер, Д. Дж .; Jacobs, T. A .; Mirels, H .; Гросс, Р. В. Ф. (1972). «Непрерывный химический лазер». Патент США 3,688,215 . Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  5. ^ Hofland, R .; Мирельс, Х. (1972). "Анализ пламенного слоя химических лазеров диффузионного типа C. W. I. Несвязанное излучение". Журнал AIAA. 10 (4): 420–428. Bibcode:1972AIAAJ..10..420H. Дои:10.2514/3.50113.
  6. ^ King, W. S .; Мирельс, Х. (1972). "Численное исследование химического лазера диффузионного типа". Журнал AIAA. 10 (12): 1647–1654. Bibcode:1972AIAAJ..10.1647K. Дои:10.2514/3.6697.
  7. ^ Mirels, H .; Hofland, R .; Кинг, У. С. (1972). «Упрощенная модель химического лазера диффузионного типа непрерывного действия». Журнал AIAA. 11 (2): 156–184. Bibcode:1973AIAAJ..11..156M. Дои:10.2514/3.50447.
  8. ^ Siegman, A.E .; Шиклас, Э.А. (1974). «Расчеты мод в неустойчивом резонаторе с непрерывным насыщающимся усилением. I. Разложение Эрмита-Гаусса». Прикладная оптика. 13 (12): 2775–2792. Bibcode:1974ApOpt..13.2775S. Дои:10.1364 / AO.13.002775. PMID  20134790.
  9. ^ Sziklas, E. A .; Сигман, А. Э. (1975). «Расчет мод в неустойчивом резонаторе с непрерывным насыщающимся усилением. II. Метод быстрого преобразования Фурье». Прикладная оптика. 14 (8): 1874–1889. Bibcode:1975ApOpt..14.1874S. Дои:10.1364 / AO.14.001874. PMID  20154934.
  10. ^ Уэйд, Р. К. (1998). «Химические лазеры с кольцевыми средами усиления». В Kossowsky, R .; Елинек, М .; Новак, Дж. (Ред.). Оптические резонаторы - наука и техника. Kluwer Academic. С. 211–223. ISBN  978-0-7923-4962-4.
  11. ^ Ши, К.-К. (1994). «Моделирование перекоса заднего конуса в кольцевом резонаторе». Труды SPIE. Моделирование и моделирование лазерных систем III. 2117: 128–135. Bibcode:1994SPIE.2117..128S. Дои:10.1117/12.171670. S2CID  109715908.
  12. ^ Bullock, D .; Лайнхарт, М. Э. (1993). «Векторные собственные моды в цилиндрическом лазере». Труды SPIE. Лазерные резонаторы и когерентная оптика: моделирование, технологии и приложения. 1868: 367–379. Дои:10.1117/12.150627. S2CID  123066559.
  13. ^ Холмс, Д. А .; Уэйт, Т. Р. (1983). «Обычнопроходный децентрированный кольцевой кольцевой резонатор». Патент США 4514850 . Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  14. ^ Коэн, Н. (1971). Обзор коэффициентов скорости реакций в лазерной системе H2-F2 (отчет). Аэрокосмическая корпорация. ТР-0172 (2779) -2.
  15. ^ Hinchen, J. J .; Банас, К. М. (1970). "Непрерывный высокочастотный смешивающий электрический разрядный лазер". Письма по прикладной физике. 17 (9): 386–388. Bibcode:1970ApPhL..17..386H. Дои:10.1063/1.1653447.
  16. ^ Спенсер, Д. Дж .; Mirels, H .; Дурран, Д. А. (1972). «Характеристики непрерывного химического HF-лазера с N2 или He Diluent». Журнал прикладной физики. 43 (3): 1151–1157. Bibcode:1972JAP .... 43.1151S. Дои:10.1063/1.1661228.
  17. ^ Freiber, R.J .; Chenausky, P.P .; Фрадин, Д. В. (1975). «Автономный рециркулирующий химический лазер». Приложение к Международной конференции по электронным устройствам 1974 г.. С. 187–190. Дои:10.1109 / IEDM.1974.6219662.
  18. ^ «Генеральный план направленной энергетики». Командование армии США по космосу и противоракетной обороне. 2000. Отсутствует или пусто | url = (помощь)