Химический лазер

A химический лазер - это лазер, который получает энергию в результате химической реакции. Химические лазеры могут достигать выходной мощности непрерывных волн с мощностью, достигающей уровня мегаватт. Они используются в промышленности для резки и сверления.

Типичными примерами химических лазеров являются химический кислородно-йодный лазер (COIL), газофазный йодный лазер (AGIL) и фтористый водород. Лазеры на основе (HF) и фторида дейтерия (DF), работающие в среднем инфракрасном диапазоне. Также существует (- углекислый газ ), который, как и COIL, является «переносящим лазером». 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. встроен в резонатор.

Возможность создания инфракрасных лазеров на основе колебательно-возбужденных продуктов химической реакции была впервые предложена Джон Полани в 1961 году. импульсный химический лазер был продемонстрирован Джеромом В.В. Каспером и Джорджем К. Пиментелем в 1965 году. Во-первых, хлор (Cl 2) интенсивно фотодиссоциировал на атомы, которые затем реагировали с водородом, давая хлористый водород (HCl) в возбужденном состоянии, подходящем для лазера. Затем были продемонстрированы фтороводород (HF) и (DF). Пиментель продолжил исследование a. 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.

химический HF лазер непрерывного действия (CW) был впервые продемонстрирован в 1969 году и запатентован в 1972 году DJ Spencer, TA Jacobs, H. Mirels и RWF. Гросс в The Aerospace Corporation в Эль-Сегундо, Калифорния. В этом устройстве использовалось смешивание соседних потоков H 2 и F в оптическом резонаторе для создания колебательно-возбужденных HF, которые генерировали. Атомарный фтор был получен путем диссоциации газа SF6 с использованием электрического разряда DC . Более поздняя работа в подрядных организациях армии США, ВВС США и ВМС США (например, TRW ) использовала химическую реакцию для получения атомарного фтора, концепция, включенная в раскрытие патента Spencer et al. 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 гидродинамического смешения соседних сверхзвуковых потоков, множества неравновесных химические реакции и взаимодействие усиливающей среды с оптическим резонатором. Исследователи из The Aerospace Corporation разработали первое точное аналитическое () решение, первое решение с численным компьютерным кодом и первую упрощенную модель, описывающую характеристики химического лазера CW HF.

Химические лазеры стимулировали использование расчетов волновой оптики для анализа резонаторов. Первыми в этой работе выступили Э. А. Шиклас (Pratt Whitney ) и А. Э. Сигман (Стэнфордский университет ). Часть I их работы была посвящена и получила мало пользы по сравнению с частью II, которая касалась метода быстрого преобразования Фурье, который теперь является стандартным инструментом в United Technologies Corporation, Lockheed Martin, SAIC, Boeing, tOSC, MZA (Wave Train) и OPCI. Большинство этих компаний конкурировали за контракты на производство HF и DF лазеров для DARPA, ВВС США, армии США или ВМС США в течение 1970-х и 1980-х годов. General Electric и Pratt Whitney выбыли из соревнования в начале 1980-х, оставив поле деятельности Rocketdyne (теперь часть Pratt Whitney - хотя организация по лазерной технике остается сегодня в Boeing) и TRW (теперь часть Northrop Grumman ).

Комплексные химические лазерные модели были разработаны в SAIC Р. К. Уэйдом, в TRW К.-К. Ши, Д. Баллоком и М. Э. Лайнхартом, и в Rocketdyne Д. А. Холмсом и Т. Р. Уэйтом. Из них, пожалуй, наиболее сложным был код компании TRW, опередивший ранние работы в Aerospace Corporation.

Ранние аналитические модели в сочетании с исследованиями скорости химического состава привели к разработке эффективных экспериментальных CW. Лазерные устройства HF в United Aircraft и Aerospace Corporation. Достигнуты уровни мощности до 10 кВт. Генерация DF была получена заменой D 2 на H 2. Группа из United Aircraft Research Laboratories произвела химический лазер с рециркуляцией, который не полагался на постоянное потребление химических реагентов.

Группа компаний TRW Systems в Редондо-Бич, Калифорния впоследствии получила контракты ВВС США на создание более мощных CW HF / DF-лазеров. Используя увеличенную версию конструкции Aerospace Corporation, TRW достигла 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. Компания TRW произвела устройство MIRACL для ВМС США, которое достигло уровня мощности в мегаватт. Последний считается самым мощным непрерывным лазером любого типа, разработанным на сегодняшний день (2007 г.).

TRW также произвела цилиндрический химический лазер (the) для DARPA, теоретическое преимущество которого заключалось в возможности масштабирования до еще большей мощности. Однако к 1990 году интерес к химическим лазерам сместился в сторону более коротких волн, и наибольший интерес вызвал химический кислородно-йодный лазер (COIL), производящий излучение с длиной волны 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 сегодня используется в ABL (лазер для воздушных судов, сам лазер изготавливается Northrop Grumman) и в ATL (Advanced Tactical Laser), производимом Boeing. Между тем, для THEL (Tactical High Energy Laser), построенного в конце 1990-х годов для Министерства обороны Израиля в сотрудничестве с SMDC армии США, использовался низкомощный HF-лазер. Это первый лазер высокой энергии, который продемонстрировал эффективность в довольно реалистичных испытаниях против ракет и артиллерии. Лазер MIRACL продемонстрировал эффективность против определенных целей, пролетевших перед ним на ракетном полигоне Уайт-Сэндс, 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 авиационного лазерного испытательного стенда в 2012 году. Стремление к «возобновляемому» источнику энергии, т.е. поставлять необычные химические вещества, такие как фтор, дейтерий, щелочной перекись водорода или йод, побудило Министерство обороны США настаивать на лазерах с электрической накачкой, таких как щелочные лазеры с диодной накачкой (DPALS).