Химический лазер
— Химический лазер это лазер , который получает энергию в результате химической реакции . Химические лазеры могут достигать непрерывной генерации с мощностью, достигающей уровня мегаватт . Их используют в промышленности для резки и сверления.
Распространенными примерами химических лазеров являются химический кислородно-йодный лазер (COIL), полностью газофазный йодный лазер (AGIL), а также лазеры на фториде водорода (HF) и фториде дейтерия (DF), все они работают в среднем инфракрасном диапазоне. Существует также DF–CO 2 лазер ( фторид дейтерия – углекислый газ ), который, как и COIL, является «переносным лазером». HF- и DF-лазеры необычны тем, что в них происходит несколько молекулярных энергетических переходов с достаточной энергией, чтобы преодолеть порог, необходимый для генерации. Поскольку молекулы не сталкиваются достаточно часто, чтобы перераспределить энергию, несколько из этих режимов лазера работают либо одновременно, либо в очень быстрой последовательности, так что HF или DF лазер работает одновременно на нескольких длинах волн, если только не установлено устройство выбора длины волны. встроен в резонатор .
Происхождение химического HF/DF- непрерывного действия лазера
Возможность создания инфракрасных лазеров на основе колебательно-возбужденных продуктов химической реакции впервые была предложена Джоном Поланьи в 1961 году. [1] химический лазер Импульсный был продемонстрирован Джеромом В.В. Каспером и Джорджем К. Пиментелем в 1965 году. [2] Сначала хлор (Cl 2 ) подвергался энергичной фотодиссоциации на атомы, которые затем реагировали с водородом, образуя хлористый водород (HCl) в возбужденном состоянии, пригодном для лазера. Затем фторид водорода (HF) и фторид дейтерия были продемонстрированы (DF). Пиментел продолжил исследование DF-CO 2 лазера для переноса . Хотя эта работа не привела к созданию чисто химического лазера непрерывного действия, она проложила путь, показав жизнеспособность химической реакции как механизма накачки химического лазера.
непрерывного действия (CW) Химический HF -лазер был впервые продемонстрирован в 1969 году. [3] и запатентован в 1972 году. [4] DJ Спенсер, Т.А. Джейкобс, Х. Мирелс и Р.В.Ф. Гросс в Аэрокосмической корпорации в Эль-Сегундо , Калифорния . Это устройство использовало смешивание соседних потоков H 2 и F внутри оптического резонатора для создания колебательно-возбуждаемого ВЧ, который генерировал лазер . Атомарный фтор был получен путем диссоциации газа SF 6 с использованием постоянного тока электрического разряда . Более поздние работы в организациях-подрядчиках армии США, ВВС США и ВМС США (например, TRW ) использовали химическую реакцию для получения атомарного фтора, концепция, включенная в патентное описание Спенсера и др. [4] Последняя конфигурация устранила необходимость в электроэнергии и привела к разработке мощных лазеров для военного применения.
Анализ характеристик HF-лазера затруднен из-за необходимости одновременного учета гидродинамического перемешивания соседних сверхзвуковых потоков, множества неравновесных химических реакций и взаимодействия усиливающей среды с оптическим резонатором. Исследователи из Аэрокосмической корпорации разработали первое точное аналитическое ( пламенный лист ). решение [5] первое численное решение компьютерного кода [6] и первая упрощенная модель [7] описание характеристик химического HF-лазера непрерывного действия.
Химические лазеры стимулировали использование волновой оптики для анализа резонаторов. Эта работа была инициирована Э.А. Сикласом ( Пратт и Уитни ) и А.Е. Зигманом ( Стэнфордский университет ). [8] [9] Часть I их работы была посвящена расширению Эрмита-Гаусса и получила мало применения по сравнению с Частью II, посвященной методу быстрого преобразования Фурье , который сейчас является стандартным инструментом в United Technologies Corporation , Lockheed Martin , SAIC , Boeing , tOSC , МЗА (волновой поезд) и OPCI. Большинство этих компаний конкурировали за контракты на производство HF и DF лазеров для DARPA , ВВС США, армии США или ВМС США на протяжении 1970-х и 1980-х годов. General Electric и Pratt & Whitney вышли из конкуренции в начале 1980-х годов, оставив поле деятельности Rocketdyne (теперь часть Pratt & Whitney - хотя организация по лазерам сегодня остается с Boeing) и TRW (теперь часть Northrop Grumman ).
Комплексные модели химического лазера были разработаны в SAIC Р. К. Уэйдом, [10] в TRW C.-C. Ши, [11] Д. Баллок и М. Е. Лэйнхарт, [12] и в Rocketdyne Д.А. Холмс и Т.Р. Уэйт. [13] Из них, пожалуй, самым сложным был код CROQ в TRW, опередивший ранние разработки в Aerospace Corporation . [ нужна ссылка ]
Производительность [ править ]
Ранние аналитические модели в сочетании с исследованиями скорости химических реакций. [14] привело к разработке эффективных экспериментальных HF-лазерных устройств непрерывного действия в United Aircraft, [15] и Аэрокосмическая корпорация. [16] уровни мощности до 10 кВт Были достигнуты . DF-генерация была получена заменой H 2 на D 2 . Группа из United Aircraft Research Laboratories создала рециркуляционный химический лазер. [17] который не зависел от непрерывного потребления химических реагентов.
Группа TRW Systems в Редондо-Бич, Калифорния , впоследствии получила контракты ВВС США на создание более мощных непрерывных HF/DF-лазеров. Используя увеличенную версию разработки Aerospace Corporation, TRW достигла уровня мощности 100 кВт. General Electric, Pratt & Whitney и Rocketdyne построили различные химические лазеры на средства компании в ожидании получения контрактов Министерства обороны на создание еще более мощных лазеров. Только Rocketdyne получила контракты на достаточную сумму, чтобы продолжать конкурировать с TRW. TRW произвела устройство MIRACL для ВМС США, которое достигло мегаваттной мощности. Последний считается самым мощным непрерывным лазером любого типа, разработанным на сегодняшний день (2007 г.).
TRW также произвела цилиндрический химический лазер ( Альфа-лазер ) для DARPA Zenith Star , который имел теоретическое преимущество, заключающееся в возможности масштабирования до еще большей мощности. Однако к 1990 году интерес к химическим лазерам сместился в сторону более коротких волн, и химический кислородно-йодный лазер наибольший интерес приобрел (COIL), производящий излучение с длиной волны 1,315 мкм. Еще одним преимуществом является то, что COIL-лазер обычно производит излучение с одной длиной волны, что очень полезно для формирования очень хорошо сфокусированного луча. Этот тип лазера COIL сегодня используется в ABL (Airborne Laser, сам лазер создается компанией Northrop Grumman) и в ATL (Advanced Tactical Laser), производимом Boeing. Между тем, ВЧ-лазер меньшей мощности использовался для THEL (Tactical High Energy Laser), построенного в конце 1990-х годов для Министерства обороны Израиля в сотрудничестве с SMDC армии США. Это первый полевой лазер высокой энергии, продемонстрировавший эффективность в достаточно реалистичных испытаниях против ракет и артиллерии. Лазер MIRACL продемонстрировал эффективность против определенных целей, пролетающих перед ним на ракетном полигоне Уайт-Сэндс, но он не предназначен для реальной эксплуатации в качестве боевого оружия. ABL удалось сбить несколько полноразмерных ракет со значительных дальностей, а ATL удалось вывести из строя движущиеся наземные транспортные средства и другие тактические цели.
Несмотря на преимущества химических лазеров в производительности, Министерство обороны прекратило все разработки химических лазерных систем после закрытия испытательного стенда для авиационных лазеров в 2012 году. Желание иметь «возобновляемый» источник энергии, то есть отсутствие необходимости поставлять необычные химические вещества, такие как фтор, дейтерий, основная перекись водорода или йод побудили Министерство обороны настаивать на разработке лазеров с электрической накачкой, таких как щелочные лазеры с диодной накачкой (DPALS). В еженедельном отчете «Внутри армии» упоминается «Генеральный план направленной энергетики». [18]
Ссылки [ править ]
- ^ Поланьи, Дж. К. (1961). «Предложение об инфракрасном мазере, зависящем от колебательного возбуждения». Журнал химической физики . 34 (1): 347–348. Бибкод : 1961ЖЧФ..34..347П . дои : 10.1063/1.1731608 .
- ^ Каспер, СП; Пиментель, GC (1965). «Химический лазер HCl». Письма о физических отзывах . 14 (10): 352–354. Бибкод : 1965PhRvL..14..352K . дои : 10.1103/PhysRevLett.14.352 .
- ^ Спенсер, диджей; Джейкобс, штат Калифорния; Мирелс, Х.; Гросс, RWF (1969). «Химический лазер непрерывного действия». Международный журнал химической кинетики . 1 (5): 493–494. дои : 10.1002/кин.550010510 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Спенсер, диджей; Джейкобс, штат Калифорния; Мирелс, Х.; Гросс, RWF (1972). «Химический лазер непрерывного действия». Патент США 3688215 .
{{cite web}}: Отсутствует или пусто|url=( помощь ) - ^ Хофланд, Р.; Мирелс, Х. (1972). «Анализ пламени непрерывных химических лазеров диффузионного типа, I. Несвязанное излучение». Журнал АИАА . 10 (4): 420–428. Бибкод : 1972AIAAJ..10..420H . дои : 10.2514/3.50113 .
- ^ Кинг, штат Вашингтон; Мирелс, Х. (1972). «Численное исследование химического лазера диффузионного типа». Журнал АИАА . 10 (12): 1647–1654. Бибкод : 1972AIAAJ..10.1647K . дои : 10.2514/3.6697 .
- ^ Мирелс, Х.; Хофланд, Р.; Кинг, WS (1972). «Упрощенная модель химического лазера диффузионного типа непрерывного действия». Журнал АИАА . 11 (2): 156–184. Бибкод : 1973AIAAJ..11..156M . дои : 10.2514/3.50447 .
- ^ Зигман, А.Е.; Сиклас, Э.А. (1974). «Расчеты режимов в неустойчивом резонаторе с проточным насыщающимся коэффициентом усиления. I. Расширение Эрмита-Гаусса». Прикладная оптика . 13 (12): 2775–2792. Бибкод : 1974ApOpt..13.2775S . дои : 10.1364/AO.13.002775 . ПМИД 20134790 .
- ^ Сиклас, Э.А.; Зигман, А.Е. (1975). «Расчеты режимов в неустойчивом резонаторе с проточным насыщающимся коэффициентом усиления. II. Метод быстрого преобразования Фурье». Прикладная оптика . 14 (8): 1874–1889. Бибкод : 1975ApOpt..14.1874S . дои : 10.1364/AO.14.001874 . ПМИД 20154934 .
- ^ Уэйд, RC (1998). «Химические лазеры с кольцевой усиливающей средой». В Коссовском Р.; Елинек, М.; Новак, Дж. (ред.). Оптические резонаторы - Наука и техника . Клювер Академик . стр. 211–223. ISBN 978-0-7923-4962-4 .
- ^ Ши, К.-К. (1994). Шнурр, Элвин Д. (ред.). «Моделирование перекоса заднего конуса в кольцевом резонаторе». Труды SPIE . Моделирование и моделирование лазерных систем III. 2117 : 128–135. Бибкод : 1994SPIE.2117..128S . дои : 10.1117/12.171670 . S2CID 109715908 .
- ^ Буллок, Д.; Лэйнхарт, Мэн (1993). Бхоумик, Ануп (ред.). «Векторные собственные моды цилиндрического лазера». Труды SPIE . Лазерные резонаторы и когерентная оптика: моделирование, технология и применение. 1868 : 367–379. Бибкод : 1993SPIE.1868..367B . дои : 10.1117/12.150627 . S2CID 123066559 .
- ^ Холмс, округ Колумбия; Уэйт, Т.Р. (1983). «Общепроходной децентрированный кольцевой кольцевой резонатор». Патент США 4 514 850 .
{{cite web}}: Отсутствует или пусто|url=( помощь ) - ^ Коэн, Н. (1971). Обзор коэффициентов скорости реакций в лазерной системе H2-F2 (доклад). Аэрокосмическая корпорация . ТР-0172(2779)-2.
- ^ Хинчен, Джей-Джей; Банас, CM (1970). «Электроразрядный смесительный лазер непрерывного ВЧ излучения». Письма по прикладной физике . 17 (9): 386–388. Бибкод : 1970ApPhL..17..386H . дои : 10.1063/1.1653447 .
- ^ Спенсер, диджей; Мирелс, Х.; Дюрран, Д.А. (1972). «Работа непрерывного ВЧ химического лазера с разбавителем N2 или He». Журнал прикладной физики . 43 (3): 1151–1157. Бибкод : 1972JAP....43.1151S . дои : 10.1063/1.1661228 .
- ^ Фрейбер, Р.Дж.; Ченауски, П.П.; Фрадин, Д.В. (1975). «Автономный рециркуляционный химический лазер». Дополнение к Международному совещанию по электронным устройствам 1974 года . стр. 187–190. дои : 10.1109/IEDM.1974.6219662 .
- ^ «ТАТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР SMDC EYES ДЛЯ КОРЕИ, РЕКЛАМИРУЕТ РАЗВИТИЕ НАПРАВЛЕННОЙ ЭНЕРГИИ». Внутри армии . 11 (17). Inside Washington Publishers : 1, 14–16. 1999.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
