Кіріспе
Химиялық лазер – химиялық реакциялардан энергия алатын лазер. Химиялық лазерлер мегаватт деңгейіне жететін қуатпен үздіксіз толқын шығаруға қабілді. Олар өнеркәсіпте кесу және тесік ашу үшін қолданылады. Химиялық лазерлердің кең таралған мысалдары – химиялық оттегі-йод лазері (COIL), толық газ фазалы йод лазері (AGIL) және сутек фториді (HF) мен дейтерий фториді (DF) лазерлері. Бәрі де орта инфрақызыл аймақта жұмыс істейді. DF–CO2 лазері (дейтерий фториді-көмірқышқыл газы) да бар, ол COIL сияқты "көшіру лазері" болып табылады. HF және DF лазерлері ерекшелігі, лазерлік процеске қажетті шекті мәнді жете алу үшін жеткілікті энергияға ие бірнеше молекулалық энергиялық өтулерге ие. Молекулалар энергияны қайта бөлу үшін жиі соқтығыспағандықтан, бірнеше лазерлік режимдер бір уақытта немесе өте жылдам кезегімен жұмыс істейді. Сондықтан HF немесе DF лазері резонаторға толқын ұзындығын таңдау құрылғысы енгізілмесе, бірнеше толқын ұзындығында бір уақытта жұмыс істейтіндей көрінеді.
A chemical laser is a laser that obtains its energy from a chemical reaction. Chemical lasers can reach continuous wave output with power reaching to megawatt levels. They are used in industry for cutting and drilling. Common examples of chemical lasers are the chemical oxygen iodine laser (COIL), all gas phase iodine laser (AGIL), and the hydrogen fluoride (HF) and deuterium fluoride (DF) lasers, all operating in the mid infrared region. There is also a DF–CO2 laser (deuterium fluoride–carbon dioxide), which, like COIL, is a "transfer laser." The HF and DF lasers are unusual, in that there are several molecular energy transitions with sufficient energy to cross the threshold required for lasing. Since the molecules do not collide frequently enough to re distribute the energy, several of these laser modes operate either simultaneously, or in extremely rapid succession, so that an HF or DF laser appears to operate simultaneously on several wavelengths unless a wavelength selection device is incorporated into the resonator.
CW химиялық HF/DF лазерінің пайда болуы
Химиялық реакцияның тербеліс күйіндегі қозылған өнімдеріне негізделген инфрақызыл лазерлерді жасау мүмкіндігін алғаш рет 1961 жылы Джон Поланьи ұсынды. 1965 жылы Жером В.В. Каспер мен Джордж С. Пиментель импульстік химиялық лазерді демонстрациялады. Бірінші кезекте хлор (Cl2) фотодиссоциацияланып атомдарға ажыратылды, содан кейін сутекпен реакцияласып, лазерге жарамды қоздырылған күйде сутек хлоридін (HCl) құрады. Содан кейін фторсутек (HF) және дейтерий фториді (DF) көрсетілді. Пиментель DF CO2 лазерін зерттеуді жалғастырды. Бұл жұмыс таза химиялық үздіксіз толқынды лазерді жасаған жоқ, бірақ химиялық лазер үшін сорғы механизмі ретінде химиялық реакцияның мүмкіндігін көрсету арқылы жол ашты. 1969 жылы тұрақты толқынды (CW) химиялық HF лазері алғаш рет демонстрацияланды және 1972 жылы D.J. Spencer, T.A. Jacobs, H. Mirels және R.W.F. Gross Калифорния штатының Эль-Сегундо қаласындағы The Aerospace Corporation мекемесінде патент алды. Бұл құрылғы H2 және F ағындарының оптикалық резонатор ішінде араласуын пайдаланып, лазерлік тербеліске ие HF жасады. Атомдық фтор SF6 газының тұрақты ток разряды арқылы диссоциациялануымен қамтамасыз етілді. Кейінірек, АҚШ Армиясы, АҚШ Әуе күштері және АҚШ Әскери-теңіз күштерінің мердігер ұйымдары (мысалы, TRW) атомдық фторды алу үшін химиялық реакцияны қолданды, бұл тұжырым Spencer және тағы басқалардың патенттік өтінішіне енгізілді. Сондай-ақ, бұл жұмыста CW HF химиялық лазерінің жұмысын сипаттайтын алғашқы сандық компьютерлік код шешімі және оңайлатылған модель ұсынылды. Химиялық лазерлер резонаторды талдау үшін толқындық оптика есептеулерін пайдалануға серпіліс берді. Бұл жұмыстың негізін қалаушылар Э.А. Сзиклас (Pratt & Whitney) және А.Э. Зигман (Стэнфорд университеті) болды. Олардың жұмысының I бөлігі Гермит-Гаусс кеңеюімен айналысты, ал II бөлігі, қазір United Technologies Corporation, Lockheed Martin, SAIC, Boeing, tOSC, MZA (Wave Train) және OPCI компанияларында стандартты құрал болып табылатын Жылдам Фурье түрлендіру әдісін қарастырды. Бұл компаниялардың көпшілігі 1970 және 1980 жылдары DARPA, АҚШ Әуе күштері, АҚШ Армиясы немесе АҚШ Әскери-теңіз күштері үшін HF және DF лазерлерін жасау бойынша келісімшарттар үшін бәсекелесті. General Electric және Pratt & Whitney 1980-ші жылдардың басында бәсекелестен шықты, ал Rocketdyne (қазір Pratt & Whitney құрамында, бірақ лазерлік ұйым бүгін Boeing-те сақталады) және TRW (қазір Northrop Grumman құрамында) бәсекелестікті жалғастырды. SAIC-те R.C. Wade, TRW-де C.C. Shih, D. Bullock және M.E. Lainhart, ал Rocketdyne-де D.A. Holmes және T.R. Waite химиялық лазерлердің толыққанды модельдерін жасады. Олардың арасында TRW-дегі CROQ коды ең күрделісі болып есептеледі және Aerospace Corporation-дағы алғашқы жұмысты басып өтті.
Өнер көрсету
Эртерек талдамалық модельдер химиялық жылдамдық зерттемелерімен біріктіріліп, United Aircraft және The Aerospace Corporation компанияларында тиімді эксперименталды CW HF лазерлік құрылғыларын жобалауға әкелді. Қуат деңгейі 10 кВт-қа дейін жетті. DF лазерлеуі H2-ні D2-мен алмастыру арқылы қол жеткізілді. United Aircraft Research Laboratories тобы химиялық реагенттерді үздіксіз тұтынуға тәуелді емес, қайта айналымды химиялық лазер жасады. Кейіннен, Калифорния штатының Редондо-Бич қаласындағы TRW Systems Group компаниясы АҚШ Әуе күштерінен жоғары қуатты CW HF/DF лазерлерді құруға келісімшарт алды. Аэроғарыш корпорациясының дизайнының үлкейтілген нұсқасын пайдаланып, TRW 100 кВт қуат деңгейіне қол жеткізді. General Electric, Pratt & Whitney және Rocketdyne компаниялары компания қаражатында әртүрлі химиялық лазерлерді құрды, одан да үлкен лазерлерді құру үшін Қорғаныс министрлігінен (DoD) келісімшарттар алуды күтті. Тек Rocketdyne ғана TRW компаниясымен бәсекелесуге жеткілікті құнды келісімшарттар алды. TRW АҚШ Әскери-теңіз күштері үшін мегаватт қуат деңгейіне жеткен MIRACL құрылғысын жасады. Бұл, қазірге дейін жасалған кез келген типтегі үздіксіз лазердің ең жоғары қуаты болып саналады (2007 жыл). TRW DARPA Zenith Star үшін цилиндрлі химиялық лазерді (Альфа лазері) де жасады, оның теориялық артықшылығы одан да үлкен қуаттарға дейін кеңейтілуі еді. Алайда, 1990 жылға қарай химиялық лазерлерге деген қызығушылық қысқа толқынды ұзындықтарға қарай ауысты, және химиялық оттегі-йод лазері (COIL) ең көп қызығушылық тудырып, 1.315 мкм сәулелену шығарды. COIL лазерінің тағы бір артықшылығы – әдетте бір толқынды ұзындықтағы сәулелену шығаруы, бұл өте жақсы бағытталған сәулені жасауға өте көмектеседі. Осы типтегі COIL лазері бүгінде ABL (Airborne Laser, лазердің өзі Northrop Grumman компаниясы жасаған) және Boeing компаниясы жасаған ATL (Advanced Tactical Laser) лазерлерінде қолданылады. Сонымен қатар, 1990 жылдардың соңында Израиль қорғаныс министрлігі үшін АҚШ армиясының SMDC-мен бірлесіп салынған THEL (Tactical High Energy Laser) үшін төмен қуатты HF лазері қолданылды. Бұл ракеталар мен артиллерияға қарсы тиімділігін көрсеткен алғашқы жоғары энергиялы лазер болып табылады. MIRACL лазері White Sands Missile Range полигонында оның алдынан ұшып өткен нысаналарға қарсы тиімділігін көрсетті, бірақ ол нақты қару ретінде пайдалану үшін конфигурацияланбаған. ABL бірнеше толық өлшемді зымырандарды елеулі қашықтықтан атып түсіруге сәттілікке жетті, ал ATL жылжымалы құрлықтық көліктер мен басқа да тактикалық нысаналарды жоюға сәттілікке жетті. Химиялық лазерлердің өнімділік артықшылықтарына қарамастан, Қорғаныс министрлігі 2012 жылы Әуедегі лазерлік сынақ алаңын тоқтату арқылы химиялық лазерлік жүйелерді әзірлеуді тоқтатты. Фтор, дейтерий, негізгі сутек пероксиді немесе йод сияқты ерекше химиялық заттарды жеткізу қажеттілігі болмайтын "жаңаруға болатын" қуат көзіне деген ұмтылыс Қорғаныс министрлігін диодты сорғыланған сілтілі лазерлер (DPALS) сияқты электрмен сорғыланған лазерлерді іздеуге итерді. "Армия ішінде" апталық баяндамасында "Бағдарланған энергияның бас жоспары" туралы айтылған.