Кислородно-йодный лазер (КИЛ) действует на спин-орбитальном переходе атомарного йода  I(2P1/2) --> I(2P3/2) + hv, инвертированного за счет передачи электронной энергии от синглетного кислорода O2(a1Δ) в процессе
    O2(1Δ) + I(2P3/2) --> O2(X3Σ) + I(2P1/2).
КИЛ имеет ряд качеств (низкая расходимость, высокая мощность, автономность и т.д.) которые делают его привлекательным для применений во многих областях в частности для дистанционной разборки отслуживших свой срок атомных реакторов. КИЛ является одним из главных кандидатов для использований в качестве направленного энергетического оружия. 

Одним из важных проблем в развитии лазера является создание генераторов синглетного кислорода (ГСК) высокого давления. В случае импульсного КИЛ это позволит получить высокий энергосъем с единицы объема активной среды, а в случае непрерывного сверхзвукового КИЛ  это позволит получить высокие значения чисел Маха при высокой концентрации O2(a1Δ) в активной среде лазера. Это также позволяет упростить систему откачки отработанных газов и отказаться от ловушки паров воды.

Струйно-капельный ГСК. Создание струйного ГСК высокого давления (СФ ФИАН, Загидуллин М.В.) дало сильный толчок в развитии КИЛ. Рекордные характеристики были получены в струйно-капельном ГСК, в котором щелочной раствор перекиси водорода (ВНР) впрыскивался в реакционную зону в виде капель малого размера, но распространяющихся в узком телесном угле подобно струе. На фотографии 1 показан струйно-капельный ГСК в общем виде (левый снимок) и в рабочем состоянии (правый снимок). Нам удалось достичь выход синглетного кислорода O2(a1Δ) около 60 % при общем давлении кислорода до 100 Торр. Необходимо отметить, что нам удалось получить рекордные концентрации электронно-возбужденных частиц O2(a1Δ) до 1018 cм-3 при температуре близкой к комнатной (Azyazov V.N. et al. Quantum Electronics, vol. 24, 1994, p. 120-123, DOI: 10.1070/QE1994v024n02ABEH000033).
   

Рис 1. Струйно-капельный генератор ГСК высокого давления. Левый снимок - общий вид генератора, правый снимок - генератор в работе. 

ХКИЛ с СО2 буферным газом. Стоимость лазерной энергии химического КИЛ (ХКИЛ) во многом определяется затратами на выхлоп отработанных газов и на расход буферных газов. В ХКИЛ  в качестве буферных газов используются N2, He или Ar. Гелий позволяет получать высокие скорости газа в сверхзвуковой области. Азот дешевле гелия и он может храниться в жидком виде в сосудах Дьара. Использование CO2 в качестве буферного газа имеет ряд преимуществ: хранится в жидком виде при комнатной температуре, дешевый, легко удаляется из потока криогенными ловушками. Однако, возможность его использования в качестве  буферного газа было не очевидным,  так как  имелись опасения, что CO2 может негативно влиять на кинетику процессов в активной среде лазера, в особенности на процесс диссоциации. Мы выполнили экспериментальные исследования выходных характеристик ХКИЛ с CO2 буферным газом, которые были поддержаны компанией Кавасаки Хэви Индастрис (грант МНТЦ # 2907p).

Эксперименты выполнялись на экспериментальной установке схема которой показана на рис. 2. Синглетный кислород нарабатывался в противоточном струйном ГСК, поперечное сечение которого составляло 8x1.2 cм2. Расход хлора во всех экспериментах поддерживался равным 22±0.3 ммоль/с. Раствор BHP готовился из 3 литров 37% перекиси водорода и 2.3 литра раствора щелочи KOH с концентрацией 14.5 моль/л. Температура раствора поддерживалась в диапазоне от -8 до -16 о С.

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки ХКИЛ.

 ГСК пристыковывался к резонатору с помощью вставки из органического стекла длиной 7.5 cм и поперечным сечением газового тракта 10×1.2 cм2. На выходе ГСК в промежуточной камере в кислородный поток вводился буферный газ. Пары молекулярного йода  вместе с несущим газом (СО2 или N2) инжектировались в кислородный поток на входе в резонатор через инжектор грабельного типа, состоящего из 16 вертикально установленных медных трубочек с небольшими отверстиями в из боковых частях. В установке использовался  64-cм длины устойчивый резонатор с общим пропусканием зеркал T=1.3%. Диаметр зеркал  4.5 cм задавал длину активной зоны вдоль по потоку. Длина усиления активной среды составлял 10 см. На рис. 3 представлен снимок ГСГ пристыкованного к резонатору.

Рис. 3. Снимок ГСК пристыкованного к резонатору.

Результаты наших экспериментов показали, что замена буферного газа N2 на CO2 не вызывает изменений в выходных характеристиках ХКИЛ. Максимальная мощность излучения составила 581 Вт, что соответствует энергетической эффективности 29 % (Antonov I.O. et al. Apll. Phys. Lett., 2006, vol. 89, p. 051115(3), doi: 10.1063/1.2222405). Наше решение защищено Российским патентом RU # 2390892.

ХКИЛ с внешней наработкой атомов йода. Использование молекулярного йода в качестве прекурсора для атомов йода удобно тем, что в этом случае не требуется внешнего источника атомарного йода. Однако в этом случае на диссоциацию молекулярного йода тратится более 3-х молекул синглетного кислорода O2(a1Δ), что неизбежно приводит к снижению энергетической эффективности КИЛ. Несколько исследовательских групп из Японии, США, Израиля, Чехии и России исследовали возможность использования внешнего генератора атомов йода в схеме КИЛ для увеличения его энергетической эффективности. Наиболее интенсивно эти работы велись в лаборатории Кодымовой (Институт физики, Чехия), где были рассмотрены химический и электроразрядный способы получения атомарного йода.

Мы провели сравнение кинетических характеристик активных сред КИЛ с традиционным приготовлением атомов йода - диссоциаций I2 синглетным кислородом, и   вне - диссоциацией йод-содержащих молекул в плазме электрического разряда постоянного тока. Экспериментально было найдено, что время жизни запасенной в активной среде электронной энергии во втором случае заметно выше (Mikheyev P.A. and Azyazov V.N., J. Appl. Phys., 2008, vol. 104, p. 123111(6), doi: 10.1063/1.3050339). Можно было надеяться, что выходные характеристики ХКИЛ с внешним генератором атомов йода будут превосходить  характеристики традиционного ХКИЛ, хотя это было не очевидно, так как оставалось неясным как повлияют побочные продукты разрядного генератора на работу лазера.

Мы проводили сравнение выходных характеристик ХКИЛ с двумя способами формирования активной среды на установке показанной на рис. 4. В этих экспериментах использовался ГСК с вращающимся барботажным слоем, разработанный в лаборатории Загидуллина М.В. В установке предусмотрена возможность работы лазера как в традиционной схеме, так и с внешним генератором атомов йода. В качестве внешнего генератора атомов йода использовался электроразрядный генератор  постоянного тока разработанного Михеевым с соавторами (Mikheyev et al. J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 37, p. 3202, 2004, doi: 10.1088/0022-3727/37/22/024). В нем  качестве  прекурсора  атомов йода  использовался метилйодид, который диссоциировал в плазме электрического разряда с образованием атомарного йода. Параметры лазера подробно представлены в нашей  недавней публикации (Mikheyev P.A. et al., Appl. Phys. B, vol. 101, 2010, p. 7, doi: 10.1007/s00340-010-4214-4.)

Рис. 4. Фотография установки ХКИЛ с электроразрядным генератором
атомов йода.

 

На рис. 5 представлены зависимости выходной мощности лазера от расхода йода для двух способов формирования активной среды ХКИЛ.


Рис. 5. Выходная мощность ХКЙЛ с электроразрядным генератором йода от расхода йода.

Было зафиксировано увеличение выходной мощности лазера в 4 раза при неблагоприятных (высокое содержание воды) для традиционного режима работы ХКИЛ экспериментальных условиях. Это наблюдение говорит о том, что релаксация энергии, накопленной в синглетном кислороде, меньше при использовании в лазере продуктов разряда CH3I/Ar вместо молекул йода. Результаты подтверждают, что основное количество атомов йода было транспортировано в точку инжекции, и что продукты диссоциации метилйодида не оказывают существенного неблагоприятного эффекта на работу ХКИЛ. Результаты данного исследования показали пути улучшения его массогабаритных характеристик. Для дальнейшего прогресса необходимо определить, какой донор (CH3I, CF3I, HI, I2, и др.) и какой тип электрического разряда лучше всего подходит для эффективной наработки атомов йода. Работа поддержана грантом РФФИ  № 08-02-12035.

Основные результаты:

1. Получена рекордная плотность электронно-возбужденных молекул кислорода O2(a1Δ) до 1018 cм-3 при температуре близкой к комнатной (Azyazov V.N. et al. Quantum Electronics, vol. 24, 1994, p. 120-123, DOI: 10.1070/QE1994v024n02ABEH000033).          

2.  Продемонстрирована работа ХКИЛ с внешней наработкой атомов йода. Показано, что в этой схеме расширяются области параметров   эффективной работы лазера (Mikheyev P.A. et al. Appl. Phys. B, vol. 101 , 2010, p. 7-10, doi: 10.1007/s00340-010-4214-4).

3.   Продемонстрирована эффективная работа ХКИЛ с CO2 буферным газом в до и сверхзвуковых режимах. (Antonov I.O. et al. Apll. Phys. Lett., 2006, vol. 89, p. 051115(3), doi: 10.1063/1.2222405).

4.  Найдены интервалы значений безразмерных параметров подобия при которых достигается эффективное извлечение энергии из активной среды КИЛ.  (Mezhenin A.V. and Azyazov V.N., IEEE Quantum Electronics, vol. 49, p. 739-746, 2013, doi: 10.1109/JQE.2013.2272097).