Главная - Основные результаты и публикации - Электроразрядный генератор для нехимического кислород-йодного лазера

Электроразрядный генератор для нехимического кислород-йодного лазера

Электроразрядный генератор для нехимического кислород-йодного лазера.

В химических кислород-йодных лазерах (ХКИЛ) в качестве энергетического донора для излучающего атомарного йода выступает молекула синглетного кислорода (СК) O2(a1Δg). Однако, применение ХКИЛ ограничено из-за необходимости использовать токсичные вещества для получения СК в химическом генераторе. Одним из альтернативных методов генерации СК является его наработка в электрическом разряде Впервые генерация в электроразрядном кислород-йодном лазере была получена при возбуждении кислородсодержащей газовой смеси и наработке СК в высокочастотном (ВЧ) разряде с последующим смешением СК с йодом и охлаждением лазерной смеси в сверхзвуковом потоке [Carroll D.L. et al. Appl. Phys.Lett. 86 111104 (2005)]. Наработка СК осуществляется в электроразрядном генераторе СК. Далее СК транспортируется в зону смешения с атомами йода, который поставляют йодсодержащие молекулы. Генерация излучения на длине волны 1,316 мкм происходит непосредственно после смешения СК с атомарным йодом в лазерном резонаторе. Охлаждение газовой смеси до криогенных температур позволяет достичь положительного коэффициента усиления при существенно меньшем значении выхода СК Y = [O2(a1Δg)]/[O2(X3∑g)]+[O2(a1Δg)], Yпор~1% при T = 100 K. Для сравнения Yпор ~15% при T = 300 K. Подробный обзор, посвященный физике и технике наработки СК в электрическом разряде, в т.ч. в ВЧ разряде см. в [Ionin A A et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 40 R25 (2007)]. В настоящее время максимальная мощность электроразрядного КИЛ составляет ~500 Вт [Carroll et al, Proc. of SPIE 8677 867702-1 (2013)]. DARPA поддерживает проект по созданию 100 кВт КИЛ с КПД генерации ~10% [Hecht J Laser Focus World#9 41 (2011)].
Экспериментальные исследования энергетических характеристик электрического генератора СК на базе импульсного электроионизационного (ЭИ) разряда в кислородсодержащих газовых смесях продемонстрировали, что добавление СО или H2 в смесь газов О2:Ar позволяет существенно повысить устойчивость ЭИ разряда и достичь высокой величины удельного энерговклада (максимальное значение в пересчете на молекулярные компоненты смеси достигало ~6.5 кДж·л-1·атм-1 (~150 кДж·моль-1) в газовой смеси O2:Ar:CO=1:1:0.1 при полном давлении газа 30 Торр и объеме возбуждения ~18 литров [Ionin A.A. et al.J. Phys. D: Appl. Phys. 36 982 (2003)]. Теоретически было показано, что при использовании смесей с молекулярными добавками СО, H2 или D2 в ЭИ разряде можно ожидать выход синглетного кислорода О2(а1Δg) (СК) ~25%, превышающий его значение, необходимое для работы кислород-йодного лазера при комнатной температуре [Ionin A.A. et al.J. Phys. D: Appl. Phys. 36 982 (2003)].
Одним из перспективных разрядов для получения СК и, соответственно, для создания электроразрядного кислород-иодного лазера, является емкостной ВЧ разряд щелевого типа с поперечной прокачкой газовой смеси. Геометрия, соответствующая поперечному протоку газа по отношению к достаточно длинным электродам, позволяет при относительно больших давлениях газа (несколько десятков Торр) получать концентрации СК на уровне ~10% и одновременно обеспечивать диффузионное охлаждение газа без использования сверхзвукового сопла вплоть до почти криогенных температур. Кроме этого, такая геометрия обладает большим поперечным размером газового потока (и, соответственно, зоны лазерной генерации), что позволяет избежать применения лазерных зеркал с чрезвычайно высоким коэффициентом отражения.
В ЛГЛ экспериментально и теоретически исследовалась кинетика щелевого ВЧ разряда и его послесвечения в газовых смесях, содержащих кислород. Основные результаты этих исследований были получены на экспериментальной установке, работающей в статических условиях, т.е. без потока газа, что ограничивает применимость этих результатов для создания и оптимизации параметров реальной электроразрядной системы, обеспечивающей как эффективную наработку СК, так и его последующее смешение с потоком йода. В недавних работах экспериментально и теоретически исследовался генератор СК на основе щелевого ВЧ разряда с поперечным по отношению к относительно длинным электродам потоком газа. Была создана не имеющая аналогов экспериментальная установка с щелевым ВЧ разрядом и дозвуковым потоком газа, в которой предусмотрена возможность предохлаждения (до разряда) газовой смеси и охлаждения электродов. На этой установке было исследовано влияние различных экспериментальных параметров на наработку СК в поперечном ВЧ разряде и его последующую транспортировку к предполагаемой зоне смешения с йодосодержащими газовыми компонентами и далее к зоне лазерной генерации.
Результаты проведенных экспериментов и теоретического моделирования дают основание рассчитывать на получение генерации в кислород-йодном лазере с электроразрядным генератором СК на основе поперечного ВЧ разряда при охлаждении возбужденного газа до температур ~220 К, что весьма реально даже без использования сверхзвукового расширения газового потока.

  1. A.A. Ionin, Yu.M. Klimachev, A.Yu. Kozlov, A.A. Kotkov, I.V. Kochetov, A.P. Napartovich, O.A. Rulev, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, N.P. Vagin, N.N. Yuryshev, Influence of nitrogen oxides NO and NO2 on singlet delta oxygen production in pulsed discharge // J. Physics D: Applied Physics, 42, 015201 (2009). – http://iopscience.iop.org/0022-3727/42/1/015201/
  2. A.A. Ionin, Yu.M. Klimachev, O.A. Rulev, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, Transverse gas flow RF discharge generator of singlet delta oxigen for oxigen-iodine laser / 62-th Annual Gaseous Electronic Conference, October 20-23, 2009, Saratoga Springs, NY, USA // Bulletin of the American Physical Society, 54, №12, 28 (2009).
  3. А.А. Ионин, Ю.М. Климачев, И.В. Кочетов, А.П. Напартович, О.А. Рулев, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, Генератор синглетного кислорода на основе щелевого высокочастотного разряда с поперечным потоком газа для электроразрядного кислород-йодного лазера // Препринт ФИАН, №14, 1-42, М. (2009). – http://preprints.lebedev.ru/wp-content/uploads/2011/12/2009_14.pdf
  4. А.А. Ionin, Yu. M. Klimachev, I. V. Kochetov, A. P. Napartovich, O. A. Rulev, L.V.Seleznev, D.V. Sinitsyn // Proc. SPIE 7581 758103 (2010)