Химические лазеры: принцип работы и применение.

Введение

Лазер, получающий энергию от химических реакций. Химический лазер – это лазер, который получает энергию от химической реакции. Химические лазеры способны достигать непрерывного излучения с мощностью до мегаватт. Они используются в промышленности для резки и сверления. Типичными примерами химических лазеров являются химический кислородно-йодный лазер (COIL), всегазофазный йодный лазер (AGIL), а также фтороводородный (HF) и фтородейтериевый (DF) лазеры, все работающие в среднем инфракрасном диапазоне. Существует также DF–CO2 лазер (фторид дейтерия – углекислый газ), который, как и COIL, является "трансферным лазером". Лазеры HF и DF необычны тем, что существует несколько молекулярных энергетических переходов, обладающих достаточной энергией для превышения порога, необходимого для генерации лазерного излучения. Поскольку молекулы не сталкиваются достаточно часто для перераспределения энергии, несколько из этих лазерных мод работают одновременно или в очень быстрой последовательности, в результате чего HF или DF лазер кажется работающим одновременно на нескольких длинах волн, если в резонатор не включено устройство для селекции длины волны.

Происхождение химического лазера CW HF/DF

Возможность создания инфракрасных лазеров на основе вибрационно возбужденных продуктов химической реакции была впервые предложена Джоном Поланьи в 1961 году. Импульсный химический лазер был продемонстрирован Джеромом В. В. Каспером и Джорджем С. Пиментелем в 1965 году. Сначала хлор (Cl2) интенсивно фотодиссоциировали на атомы, которые затем реагировали с водородом, образуя хлорид водорода (HCl) в возбужденном состоянии, пригодном для лазерной генерации. Затем были продемонстрированы фтористый водород (HF) и фтористый дейтерий (DF). Пиментель продолжил исследования DF CO2 передающего лазера. Хотя эта работа не привела к созданию чисто химического лазера непрерывного действия, она проложила путь, показав возможность использования химической реакции в качестве механизма накачки для химического лазера. Непрерывный волновой (CW) химический HF-лазер был впервые продемонстрирован в 1969 году и запатентован в 1972 году Д. Дж. Спенсером, Т. А. Джейкобсом, Х. Мирелсом и Р. В. Ф. Гроссом в The Aerospace Corporation в Эль-Сегунде, Калифорния. В этом устройстве смешивались соседние потоки H2 и F в оптическом резонаторе для создания вибрационно возбужденного HF, который лазировал. Атомный фтор получали путем диссоциации газа SF6 с использованием электрического разряда постоянного тока. В последующих работах, выполнявшихся организациями-подрядчиками армии, ВВС и ВМС США (например, TRW), для получения атомного фтора использовалась химическая реакция, концепция, включенная в патентную заявку Спенсера и др. Также была получено первое численное решение компьютерного кода и разработана первая упрощенная модель, описывающая характеристики CW HF химического лазера. Химические лазеры стимулировали применение расчетов волновой оптики для анализа резонаторов. Пионерами в этой области были Э. А. Сиклас (Pratt & Whitney) и А. Э. Зигман (Стэнфордский университет). Часть I их работы была посвящена разложению по функциям Эрмита-Гаусса и получила ограниченное применение по сравнению с частью II, посвященной методу быстрого преобразования Фурье, который в настоящее время является стандартным инструментом в United Technologies Corporation, Lockheed Martin, SAIC, Boeing, tOSC, MZA (Wave Train) и OPCI. Большинство этих компаний конкурировали за контракты на создание HF и DF лазеров для DARPA, ВВС США, армии США или ВМС США в 1970-х и 1980-х годах. General Electric и Pratt & Whitney вышли из конкуренции в начале 1980-х годов, оставив лидерами Rocketdyne (ныне часть Pratt & Whitney, хотя лазерное подразделение сегодня входит в состав Boeing) и TRW (ныне часть Northrop Grumman). Комплексные модели химических лазеров были разработаны в SAIC Р. С. Уэйдом, в TRW С. С. Шихом, Д. Буллоком и М. Э. Лайнхартом, а в Rocketdyne Д. А. Холмсом и Т. Р. Уэйтом. Из них, пожалуй, наиболее совершенным был код CROQ, разработанный в TRW, превзошедший ранние разработки в Aerospace Corporation.

The possibility of the creation of infrared lasers based on the vibrationally excited products of a chemical reaction was first proposed by John Polanyi in 1961. A pulsed chemical laser was demonstrated by Jerome V. V. Kasper and George C. Pimentel in 1965. First, chlorine (Cl2) was vigorously photo disassociated into atoms, which then reacted with hydrogen, yielding hydrogen chloride (HCl) in an excited state suitable for a laser. Then hydrogen fluoride (HF) and deuterium fluoride (DF) were demonstrated. Pimentel went on to explore a DF CO2 transfer laser. Although this work did not produce a purely chemical continuous wave laser, it paved the way by showing the viability of the chemical reaction as a pumping mechanism for a chemical laser. The continuous wave (CW) chemical HF laser was first demonstrated in 1969, and patented in 1972, by D. J. Spencer, T. A. Jacobs, H. Mirels and R. W. F. Gross at The Aerospace Corporation in El Segundo, California. This device used the mixing of adjacent streams of H2 and F, within an optical cavity, to create vibrationally excited HF that lased. The atomic fluorine was provided by dissociation of SF6 gas using a DC electrical discharge. Later work at US Army, US Air Force, and US Navy contractor organizations (e. g. TRW) used a chemical reaction to provide the atomic fluorine, a concept included in the patent disclosure of Spencer et al. the first numerical computer code solution and the first simplified model describing CW HF chemical laser performance. Chemical lasers stimulated the use of wave optics calculations for resonator analysis. This work was pioneered by E. A. Sziklas (Pratt & Whitney) and A. E. Siegman (Stanford University). Part I of their work dealt with Hermite Gaussian Expansion and has received little use compared with Part II, which dealt with the Fast Fourier transform method, which is now a standard tool at United Technologies Corporation, Lockheed Martin, SAIC, Boeing, tOSC, MZA (Wave Train), and OPCI. Most of these companies competed for contracts to build HF and DF lasers for DARPA, the US Air Force, the US Army, or the US Navy throughout the 1970s and 1980s. General Electric and Pratt & Whitney dropped out of the competition in the early 1980s leaving the field to Rocketdyne (now part of Pratt & Whitney although the laser organization remains today with Boeing) and TRW (now part of Northrop Grumman). Comprehensive chemical laser models were developed at SAIC by R. C. Wade, at TRW by C. C. Shih, by D. Bullock and M. E. Lainhart, and at Rocketdyne by D. A. Holmes and T. R. Waite. Of these, perhaps the most sophisticated was the CROQ code at TRW, outpacing the early work at Aerospace Corporation.

Выступление

Ранние аналитические модели в сочетании с исследованиями химической кинетики привели к разработке эффективных экспериментальных лазерных установок CW HF в компаниях United Aircraft и The Aerospace Corporation. Были достигнуты уровни мощности до 10 кВт. DF-генерация была получена путем замены H2 на D2. Группа United Aircraft Research Laboratories создала рециркулирующий химический лазер, который не требовал непрерывного расхода химических реагентов. TRW Systems Group в Редондо-Бич, Калифорния, впоследствии получила контракты ВВС США на создание более мощных CW HF/DF лазеров. Используя масштабированную версию конструкции Aerospace Corporation, TRW достигла мощности 100 кВт. General Electric, Pratt & Whitney и Rocketdyne построили различные химические лазеры на собственные средства в ожидании получения контрактов от Министерства обороны на создание еще более мощных лазеров. Только Rocketdyne получила контракты достаточной стоимости, чтобы продолжать конкурировать с TRW. TRW создала устройство MIRACL для ВМС США, которое достигло мегаваттных уровней мощности. Считается, что это самый мощный непрерывный лазер любого типа, разработанный на сегодняшний день (2007). TRW также произвела цилиндрический химический лазер (лазер «Альфа») для программы DARPA Zenith Star, который теоретически мог быть масштабирован до еще более высоких мощностей. Однако к 1990 году интерес к химическим лазерам сместился в сторону более коротких длин волн, и наибольший интерес вызвал химический кислородно-йодный лазер (COIL), излучающий на длине волны 1,315 мкм. Дополнительным преимуществом COIL-лазера является то, что он обычно генерирует излучение с одной длиной волны, что очень полезно для формирования хорошо сфокусированного пучка. Этот тип COIL-лазера сегодня используется в ABL (Airborne Laser, сам лазер построен Northrop Grumman) и в ATL (Advanced Tactical Laser), разработанном Boeing. Между тем, лазер HF меньшей мощности был использован в THEL (Tactical High Energy Laser), созданном в конце 1990-х годов для Министерства обороны Израиля в сотрудничестве с SMDC армии США. Это первый развернутый высокоэнергетический лазер, продемонстрировавший эффективность в достаточно реалистичных испытаниях против ракет и артиллерии. Лазер MIRACL продемонстрировал эффективность против определенных целей, пролетавших перед ним на полигоне White Sands Missile Range, но он не предназначен для использования в качестве полевого оружия. ABL успешно сбил несколько полноразмерных ракет с больших расстояний, а ATL успешно выводил из строя движущиеся наземные транспортные средства и другие тактические цели. Несмотря на преимущества химических лазеров, Министерство обороны прекратило все разработки химических лазерных систем с завершением программы Airborne Laser Testbed в 2012 году. Стремление к «возобновляемому» источнику энергии, то есть отсутствию необходимости в поставке необычных химических веществ, таких как фтор, дейтерий, основной пероксид водорода или йод, побудило Министерство обороны продвигать электрически накачиваемые лазеры, такие как диодно-накачиваемые щелочные лазеры (DPALS). В еженедельном отчете «Inside the Army» упоминается «Генеральный план развития направленной энергии».

The early analytical models coupled with chemical rate studies led to the design of efficient experimental CW HF laser devices at United Aircraft, and The Aerospace Corporation. Power levels up to 10 kW were achieved. DF lasing was obtained by the substitution of D2 for H2. A group at United Aircraft Research Laboratories produced a re circulating chemical laser, which did not rely on the continuous consumption of chemical reactants. The TRW Systems Group in Redondo Beach, California, subsequently received US Air Force contracts to build higher power CW HF/DF lasers. Using a scaled up version of an Aerospace Corporation design, TRW achieved 100 kW power levels. General Electric, Pratt & Whitney, & Rocketdyne built various chemical lasers on company funds in anticipation of receiving DoD contracts to build even larger lasers. Only Rocketdyne received contracts of sufficient value to continue competing with TRW. TRW produced the MIRACL device for the U. S. Navy that achieved megawatt power levels. The latter is believed to be the highest power continuous laser, of any type, developed to date (2007). TRW also produced a cylindrical chemical laser (the Alpha laser) for DARPA Zenith Star, which had the theoretical advantage of being scalable to even larger powers. However, by 1990, the interest in chemical lasers had shifted toward shorter wavelengths, and the chemical oxygen iodine laser (COIL) gained the most interest, producing radiation at 1.315 μm. There is a further advantage that the COIL laser generally produces single wavelength radiation, which is very helpful for forming a very well focused beam. This type of COIL laser is used today in the ABL (Airborne Laser, the laser itself being built by Northrop Grumman) and in the ATL (Advanced Tactical Laser) produced by Boeing. Meanwhile, a lower power HF laser was used for the THEL (Tactical High Energy Laser) built in the late 1990s for the Israeli Ministry of Defense in cooperation with the U. S. Army SMDC. It is the first fielded high energy laser to demonstrate effectiveness in fairly realistic tests against rockets and artillery. The MIRACL laser has demonstrated effectiveness against certain targets flown in front of it at White Sands Missile Range, but it is not configured for actual service as a fielded weapon. ABL was successful in shooting down several full sized missiles from significant ranges, and ATL was successful in disabling moving land vehicles and other tactical targets. Despite the performance advantages of chemical lasers, the Department of Defense stopped all development of chemical laser systems with the termination of the Airborne Laser Testbed in 2012. The desire for a "renewable" power source, i. e. not having to supply unusual chemicals like fluorine, deuterium, basic hydrogen peroxide, or iodine, led the DoD to push for electrically pumped lasers such as diode pumped alkali lasers (DPALS). An "Inside the Army" weekly report mentions "Directed Energy Master Plan"