RU2321118C2 - Oxygen-iodine laser - Google Patents

Abstract

FIELD: quantum electronics.

SUBSTANCE: proposed oxygen-iodine laser has mixing chamber for iodine and gaseous medium enriched with singlet oxygen, device for feeding iodine to mixing chamber, optical resonator for generating coherent radiation at 1.315 μm wavelength on magneto-dipole transition of iodine atom from I(²P_1/2) to I(²P_3/2) level (I₂), as well as device for feeding oxygen-containing gaseous mixture to gas circuit, and supersonic gas flow device. Newly introduced in laser are discharge chamber that has power supply and wide-aperture electron accelerator controlling self-maintained discharge in mentioned discharge chamber wherein singlet oxygen is produced in gas discharge, as well as CO-laser optical resonator for additional generation of radiation with wavelength λ = 2.7 μm at oscillating-rotating transitions of carbon oxide molecule state disposed in discharge chamber or past optical resonator for generating coherent radiation on 1.315 μm wavelength. One of following gaseous media is used as gas mixture: (O₂ : Ar), (O₂ : He), (O₂ : Co : Ar), (O₂ : H₂ : Ar), (O₂ : D₂ : Ar). In addition, this oxygen-iodine laser has closed gas circuit incorporating additional supersonic diffuser, heat-transfer apparatuses, work-mixture water evacuation system, gas pumping device, and revolving elbows.

EFFECT: provision for dispensing with chemical reactors, improved design of laser.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании источников когерентного излучения на переходах состояний атомов йода и, дополнительно, молекул окиси углерода.The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to create sources of coherent radiation at state transitions of iodine atoms and, in addition, carbon monoxide molecules.

Изобретение решает задачу создания газоразрядного кислород-йодного лазера с расширенным спектральным диапазоном и улучшенными эксплуатационными характеристиками, генерирующего излучение как на переходах атома йода(I), так и на переходах молекулы окиси углерода (СО).The invention solves the problem of creating a gas-discharge oxygen-iodine laser with an extended spectral range and improved operating characteristics, generating radiation both at the transitions of the iodine atom (I) and at the transitions of the carbon monoxide (CO) molecule.

Известны химические кислород-йодные лазеры, например, (D.Furman, D.D.Barmashenko, S.Rosenwaks. // An efficient supersonic chemical oxygen - iodine laser operating without buffer gas and simple nozzle geometry. Appl. Phys. Lett. 70. (18). 2341. 1997), в которых электронно-возбужденная молекула кислорода (синглетный кислород), необходимая для перевода на лазерный уровень атома йода, получается с участием химически агрессивных веществ. Лазер такого типа в качестве основных узлов содержит химический реактор, в котором происходит наработка молекул синглетного кислорода, лазерный объем, содержащий в себе оптический резонатор, герметично связанный с химическим реактором, необходимый для получения лазерного излучения.Chemical oxygen-iodine lasers are known, for example, (D. Furman, DD Barmashenko, S. Rosenwaks. // An efficient supersonic chemical oxygen - iodine laser operating without buffer gas and simple nozzle geometry. Appl. Phys. Lett. 70. (18 ). 2341. 1997), in which an electronically excited oxygen molecule (singlet oxygen), which is necessary to transfer the iodine atom to the laser level, is obtained with the participation of chemically aggressive substances. This type of laser as the main units contains a chemical reactor in which the production of singlet oxygen molecules occurs, a laser volume containing an optical resonator, tightly connected with a chemical reactor, necessary to obtain laser radiation.

В химическом кислород-йодном лазере для наработки синглетного кислорода в химический реактор подают газообразный хлор и щелочной раствор перекиси водорода, предварительно охлажденный до температуры -15÷-20°С. В реакторе щелочной раствор перекиси водорода взаимодействует с газообразным хлором, образуя кислород с возбужденным первым электронным уровнем O₂(a¹Δ_g), (синглетный кислород). Синглетный кислород подают в лазерный объем одновременно с атомами йода, где происходит передача энергии возбуждения от синглетного кислорода атомам йода с последующей генерацией в оптическом резонаторе когерентного излучения (λ=1,315 мкм) на магнитно-дипольном переходе йода в соответствии с уравнением I(²P_1/2)→I(²P_3/2)+hν. Здесь I(²P_1/2) - атом йода, резонансно возбужденный на уровень ²P_1/2 при переходе к нему энергии от молекулы синглетного кислорода O₂(a¹Δ_g); I(²Р_3/2) - излучающий атом йода. Инверсия между уровнями ²P_1/2 и ²P_3/2 приводит к излучению кванта hν длиной волны 1.315 мкм.In a chemical oxygen-iodine laser, gaseous chlorine and an alkaline solution of hydrogen peroxide, pre-cooled to a temperature of -15 ÷ -20 ° C, are fed to a chemical reactor to produce singlet oxygen. In the reactor, an alkaline solution of hydrogen peroxide interacts with gaseous chlorine, forming oxygen with an excited first electronic level of O ₂ (a ¹ Δ _g ), (singlet oxygen). Singlet oxygen is fed into the laser volume simultaneously with iodine atoms, where the excitation energy is transferred from singlet oxygen to iodine atoms, followed by generation of coherent radiation (λ = 1.315 μm) in the optical resonator at the magnetic dipole junction of iodine in accordance with equation I ( ² P _{1 / 2} ) → I ( ² P _3/2 ) + hν. Here I ( ² P _1/2 ) is the iodine atom resonantly excited to the ² P _1/2 level when the energy from the singlet oxygen molecule O ₂ transfers to it (a ¹ Δ _g ); I ( ² P _3/2 ) - the radiating atom of iodine. The inversion between the ² P _1/2 and ² P _3/2 levels leads to the emission of a quantum hν with a wavelength of 1.315 μm.

Йодный лазер с химической накачкой описан в заявке Японии №4-16955 В4, Н01S 3/095, опубликованной 25.03.1992 года. Основными узлами лазера являются химический генератор синглетного кислорода и оптический резонатор, в который поступает синглетный кислород (с другими продуктами реакции, в частности с хлором) и атомарный йод, и в котором, в результате резонансной передачи энергии от молекул кислорода, образуются атомы йода в состоянии I(²P_1/2).Chemical-pumped iodine laser is described in Japanese Application No. 4-16955 B4, H01S 3/095, published March 25, 1992. The main components of the laser are a chemical generator of singlet oxygen and an optical resonator, which receives singlet oxygen (with other reaction products, in particular chlorine) and atomic iodine, and in which, as a result of resonant energy transfer from oxygen molecules, iodine atoms are formed in the state I ( ² P _1/2 ).

Эксплуатация такого лазера требует применения специальных мер химической безопасности, в частности применения специальных материалов и индивидуальной защиты обслуживающего персонала, поскольку исходные реагенты химически агрессивны, а газовая смесь, выходящая из реактора, содержит, кроме кислорода и паров воды, перекись водорода и непрореагировавший хлор. Кроме того, поскольку газообразные продукты химической реакции не конвертируются в исходные химические компоненты, лазер такого типа имеет незамкнутый газовый контур, что требует применения специальных устройств утилизации продуктов химических реакций.The operation of such a laser requires the use of special chemical safety measures, in particular the use of special materials and personal protection of service personnel, since the starting reagents are chemically aggressive, and the gas mixture leaving the reactor contains, in addition to oxygen and water vapor, hydrogen peroxide and unreacted chlorine. In addition, since the gaseous products of a chemical reaction are not converted to the original chemical components, this type of laser has an open gas circuit, which requires the use of special devices for the disposal of chemical reaction products.

Сущность изобретения заключается в конструкции кислород-йодного лазера, содержащего камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1.315 мкм на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(²Р_1/2) на уровень I(²P_3/2), отличающейся тем, что в нее введены устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа, разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода.The invention consists in the design of an oxygen-iodine laser containing a chamber for mixing iodine with a gas medium enriched in singlet oxygen, a device for supplying iodine to the mixing chamber, an optical resonator for generating coherent radiation at a wavelength of 1.315 μm at the magnetic dipole transition of the iodine atom from level I ⁽² F _1/2) to level I ⁽² P _3/2), characterized in that it introduced into the gas feeder circuit gas mixture containing oxygen, the apparatus of supersonic gas outflow, a discharge chamber with source pita tions and with a wide-aperture electron accelerator, a control non-self-discharge in said discharge chamber, wherein discharge takes place operation time of singlet oxygen.

В этом лазере используется одна из следующих газовых сред: (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar). В качестве газовой среды могут быть использованы также смеси кислорода с другими инертными газами, в состав которых могут входить молекулярные газы, способствующие, как и молекулы СО, Н₂, D₂, повышению устойчивости разряда за счет уменьшения вероятности развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы, 2005, том 31, 4, 361-375). Заявляемый лазер может быть выполнен с замкнутым газовым контуром, включающим дополнительно сверхзвуковой диффузор для перевода сверхзвукового потока в дозвуковой режим, теплообменники, систему удаления йода из газовой смеси, устройство прокачки газа и поворотные колена. Кроме того, при использовании смеси (О₂:СО:Ar) после разрядной камеры может быть расположен дополнительный оптический резонатор СО-лазера. В этом исполнении предлагаемая конструкция будет, кроме излучения на переходах атома йода(I) с длиной волны λ=1,315 мкм (на магнитно-дипольном переходе атома йода), генерировать излучение на переходах молекулы окиси углерода (СО) с длиной волны λ=2,7 мкм.This laser uses one of the following gaseous media: (O ₂ : Ar), (O ₂ : He), (O ₂ : CO: Ar), (O ₂ : H ₂ : Ar), (O ₂ : D ₂ : Ar). Mixtures of oxygen with other inert gases can also be used as a gaseous medium, which can include molecular gases, which, like CO, H ₂ , D ₂ molecules, increase discharge stability by reducing the likelihood of adhering-drift instability (A .N. Vasilieva, KS Klopovsky, AS Kovalev and others. Generation of singlet oxygen in a non-self-sustaining discharge. // Plasma Physics, 2005, Vol. 31, 4, 361-375). The inventive laser can be made with a closed gas circuit, including an additional supersonic diffuser for converting a supersonic flow into a subsonic mode, heat exchangers, a system for removing iodine from a gas mixture, a gas pumping device, and rotary elbows. In addition, when using a mixture (O ₂ : CO: Ar), an additional optical cavity of a CO laser can be located after the discharge chamber. In this design, the proposed design will, in addition to radiation at transitions of an iodine (I) atom with a wavelength of λ = 1,315 μm (at a magnetic dipole transition of an iodine atom), generate radiation at transitions of a carbon monoxide (CO) molecule with a wavelength of λ = 2, 7 microns.

Последовательность расположения оптических резонаторов кислород-йодного и СО-лазера может определяться назначением заявляемого лазера. Если требуется достичь максимальной эффективности получения когерентного излучения СО-лазера, сразу за разрядной камерой целесообразно расположить резонатор СО-лазера, а затем резонатор кислород-йодного лазера. И наоборот, если требуется достичь максимальной эффективности получения когерентного излучения кислород-йодного лазера, сразу за разрядной камерой целесообразно расположить резонатор кислород-йодного лазера, а затем резонатор СО-лазера. Данное условие определяется тем, что при генерации когерентного излучения, происходит сопутствующее выделение тепловой энергии с нагревом рабочей смеси газов, а чем выше температура, тем меньше инверсная заселенность лазерных уровней.The arrangement of the optical resonators of the oxygen-iodine and CO laser can be determined by the purpose of the inventive laser. If it is required to achieve maximum efficiency in obtaining coherent radiation from a CO laser, immediately after the discharge chamber it is advisable to position the resonator of the CO laser and then the cavity of the oxygen-iodine laser. Conversely, if it is necessary to achieve maximum efficiency in obtaining coherent radiation from an oxygen-iodine laser, it is advisable to immediately position the oxygen-iodine laser resonator immediately after the discharge chamber, and then the CO laser resonator. This condition is determined by the fact that during the generation of coherent radiation, there is a concomitant release of thermal energy with heating of the working gas mixture, and the higher the temperature, the lower the inverse population of the laser levels.

В заявляемом газоразрядном кислород-йодном лазере практически отсутствуют молекулы воды, которые эффективно тушат возбужденные атомы йода. В то же время в кислород-йодном лазере с химическим генератором синглетного кислорода молекулы воды присутствуют всегда в активной среде и в значительном количестве (А.С.Борейшо и др. Высокоэффективный непрерывный химический кислород-йодный лазер трансзвуковой инжекцией иода и азотом в качестве буферного газа. // Квантовая электроника. 2005. Т.35. №6. С.495-503.) Следовательно, в предлагаемом газоразрядном кислород-йодном лазере выше эффективность использования энергии синглетного кислорода.In the inventive gas-discharge oxygen-iodine laser, there are practically no water molecules that effectively quench the excited iodine atoms. At the same time, in an oxygen-iodine laser with a chemical generator of singlet oxygen, water molecules are always present in the active medium and in a significant amount (A.S.Boreisho et al. Highly efficient continuous chemical oxygen-iodine laser by transonic injection of iodine and nitrogen as a buffer gas . // Quantum Electronics. 2005. V.35. No. 6. S.495-503.) Therefore, in the proposed gas-discharge oxygen-iodine laser, the energy efficiency of singlet oxygen is higher.

Технический результат изобретения заключается в создании газоразрядного кислород-йодного лазера, работающего на длине волны 1,315 мкм, (излучение на переходах атома йода (I₂)), при эксплуатации которого отпадает необходимость использования химических реакторов, требующих специальных мер химической безопасности, и который может быть выполнен в виде комбинированного лазера с устройством для дополнительной генерации когерентного излучения на длине волны 2,7 мкм (излучение на колебательных переходах молекулы СО).The technical result of the invention is to create a gas-discharge oxygen-iodine laser operating at a wavelength of 1.315 μm (radiation at transitions of the iodine atom (I ₂ )), the operation of which eliminates the need for chemical reactors that require special chemical safety measures, and which can be made in the form of a combined laser with a device for additional generation of coherent radiation at a wavelength of 2.7 μm (radiation at vibrational transitions of a CO molecule).

На прилагаемых чертежах приведены примеры возможной реализации изобретения.The accompanying drawings show examples of possible implementations of the invention.

Конструктивная схема лазера с газоразрядным получением синглетного кислорода (Фиг.1) включает:The design of the laser with gas-discharge production of singlet oxygen (Figure 1) includes:

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:СО:Ar), (O₂:Н₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);1 - a device for supplying a gas mixture to a gas circuit, made in particular in the form of a high pressure volume containing an oxygen mixture, for example, one of the following gas media (O ₂ : Ar), (O ₂ : Not), (O ₂ : СО : Ar), (O ₂ : H ₂ : Ar), (O ₂ : D ₂ : Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;2 - device for supersonic gas outflow;

3 - разрядная камера;3 - bit chamber;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;4 - wide-aperture electron accelerator generating an electron beam;

5 - источник питания;5 - power source;

6 - камера смешения атомарного йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;6 - a chamber for mixing atomic iodine with a gaseous medium enriched in singlet oxygen;

7 - устройство подачи йода;7 - iodine supply device;

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1,315 мкм.8 - an optical resonator for generating radiation at a wavelength of 1.315 μm.

В конструкции лазера (Фиг.1) смесь кислорода с инертным газом и молекулярным газом, повышающим устойчивость разряда, например (O₂:СО:Ar), из объема 1 подается в устройство сверхвукового истечения газа 2 для разгона газа до сверхзвуковой скорости. Устройством 2 может быть сопловая решетка, использующаяся, например, в конструкции СО-лазера для газодинамического охлаждения рабочей смеси (С.А.Лосев. Газодинамические лазеры. М., Наука. 1977, 335 с). На выходе такого устройства можно получить криогенную температуру, регулируя ее величину степенью расширения потока. Охлажденная кислородная газовая смесь поступает в разрядную камеру 3, в которой разряд контролируется электронным пучком от широкоапертурного ускорителя 4. В качестве широкоапертурного ускорителя целесообразно использовать ускоритель, разработанный, в частности, для СО-лазера (Аброян М.А., Акулов В.В., Богомазов П.М. и др. Устройство ионизации для сверхзвукового СО-лазера. //Квантовая электроника, 23, 751, 1996). Напряжение на электроды разрядной камеры 3 подается от регулируемого источника питания 5 высокого напряжения. В разряде такого типа высокие энерговклады можно получить при слабых электрических полях (E/N=10^-16 В/см²), которые необходимы для эффективного получения синглетного кислорода (А.А.Ionin, Yu M Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-susteined electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982) (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы. 2005. Т.31. №4. С.361-375.). Охлаждение газа в устройстве (2) до разрядной камеры, необходимо для повышения инверсии между уровнями I(²P_1/2) и I(²P_3/2), которое можно вычислить по формулеIn the design of the laser (Figure 1), a mixture of oxygen with an inert gas and a molecular gas that increases the stability of the discharge, for example (O ₂ : CO: Ar), is supplied from volume 1 to a supersonic gas outflow device 2 to accelerate the gas to supersonic speed. Device 2 may be a nozzle array, used, for example, in the design of a CO laser for gas-dynamic cooling of a working mixture (S.A. Losev. Gas-dynamic lasers. M., Nauka. 1977, 335 s). At the output of such a device, a cryogenic temperature can be obtained by adjusting its value with the degree of expansion of the flow. The cooled oxygen gas mixture enters the discharge chamber 3, in which the discharge is controlled by an electron beam from the wide-aperture accelerator 4. As a wide-aperture accelerator, it is advisable to use an accelerator designed, in particular, for a CO laser (Abroyan M.A., Akulov V.V. , Bogomazov P.M. et al. Ionization device for a supersonic CO laser. // Quantum Electronics, 23, 751, 1996). The voltage on the electrodes of the discharge chamber 3 is supplied from an adjustable high voltage power supply 5. In this type of discharge, high energy contributions can be obtained at weak electric fields (E / N = 10 ^-16 V / cm ² ), which are necessary for the efficient production of singlet oxygen (A.A. Ionin, Yu M Klimachev, AA Kotkov, and all. Non-self-susteined electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982) (A.N. Vasilieva, K.S. Klopovsky, A.S. Kovalev et al. Generation of singlet oxygen in a non-self-sustaining discharge. // Plasma Physics. 2005. V.31. No. 4. S.361-375.). Gas cooling in the device (2) to the discharge chamber is necessary to increase the inversion between the levels I ( ² P _1/2 ) and I ( ² P _3/2 ), which can be calculated by the formula

где Y - величина инверсии между уровнями I(²P_1/2) и I(²Р_3/2); Т - температура газовой смеси; [O₂(a^lΔ_g)] - концентрация синглетного кислорода; [O₂(Х³Σ)] - концентрация молекул кислорода в основном состоянии (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы. 2005. Т.31. №4. С.361-375.). При температурах Т=100, 200, 250, 300 К порог инверсной заселенности равен соответственно Y=0,012; 0,63; 0,1; 0,15, т.е. снижение температуры до 100 К существенно понижает порог инверсной заселенности по синглетному кислороду и повышает эффективность кислород-йодного лазера. Из разрядной камеры 3 газовая смесь с наработанным синглетным кислородом поступает в камеру 6 смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, в которой происходит передача энергии от молекул синглетного кислорода атомам йода с заселением уровня I(²Р_1/2).where Y is the inversion between the levels I ( ² P _1/2 ) and I ( ² P _3/2 ); T is the temperature of the gas mixture; [O ₂ (a ^l Δ _g )] is the concentration of singlet oxygen; [O ₂ (X ³ Σ)] is the concentration of oxygen molecules in the ground state (A. N. Vasilyeva, K. S. Klopovsky, A. S. Kovalev and others. Generation of singlet oxygen in a non-self-sustained discharge. // Plasma Physics. 2005 T.31. No. 4. S.361-375.). At temperatures T = 100, 200, 250, 300 K, the inverse population threshold is Y = 0.012, respectively; 0.63; 0.1; 0.15, i.e. lowering the temperature to 100 K significantly lowers the threshold of inverse population for singlet oxygen and increases the efficiency of the oxygen-iodine laser. From the discharge chamber 3, the gas mixture with the produced singlet oxygen enters the chamber 6 for mixing iodine with a gas medium enriched in singlet oxygen, in which energy is transferred from the singlet oxygen molecules to iodine atoms with population of level I ( ² P _1/2 ).

Йод в камеру смешения 6 поступает из устройства подачи йода (7). После камеры смешения рабочая смесь поступает в оптический резонатор 8, в котором на магнитно-дипольном переходе йода с уровня I(²Р_1/2) на уровень I(²Р_3/2) генерируется когерентное излучение с длиной волны λ=1,315 мкм.Iodine in the mixing chamber 6 comes from the iodine supply device (7). After the mixing chamber, the working mixture enters the optical resonator 8, in which coherent radiation with a wavelength of λ = 1.315 μm is generated at the magnetic dipole transition of iodine from level I ( ² P _1/2 ) to level I ( ² P _3/2 ).

Эффективность получения синглетного кислорода в разряде, контролируемом электронным пучком, была показана в ряде работ. Например, в работе (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы. 2005. Т.31. №4. С.361-375) было показано, что в смеси кислорода с инертными газами (Ar и Не) существуют условия для превышения пороговой величины инверсии Y между уровнями I(²Р_1/2) и I(²Р_3/2). В работе (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-susteined electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982) показано, что концентрацию синглетного кислорода [O₂(a¹Δ_g)]=25%, которая на 10% превышает пороговый уровень, требуемый для работы кислород-йодного лазера, можно получить в смесях кислорода с молекулами СО, H₂ или D₂ и инертного газа. Эффективность получения синглетного кислорода в разряде, контролируемом электронным пучком, может превышать 40%.The efficiency of producing singlet oxygen in a discharge controlled by an electron beam has been shown in a number of works. For example, in the work (A.N. Vasilyeva, K.S. Klopovsky, A.S. Kovalev, etc. Generation of singlet oxygen in a non-self-sustaining discharge. // Plasma Physics. 2005. V.31. No. 4. P.361- 375) it was shown that in a mixture of oxygen with inert gases (Ar and He) there are conditions for exceeding the threshold inversion Y between levels I ( ² P _1/2 ) and I ( ² P _3/2 ). In the work (A.A. Ionin, Yu M. Klimachev, AA Kotkov, and all. Non-self-susteined electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003 ) 982) it was shown that the concentration of singlet oxygen [O ₂ (a ¹ Δ _g )] = 25%, which is 10% higher than the threshold level required for the operation of an oxygen-iodine laser, can be obtained in mixtures of oxygen with CO, H ₂ molecules or D ₂ and inert gas. The efficiency of producing singlet oxygen in a discharge controlled by an electron beam can exceed 40%.

Таким образом, представленная на Фиг.1 конструкция лазера, оснащенная устройством газодинамического охлаждения газа для понижения порогового уровня инверсии между уровнями I(²Р_1/2) и I(²Р_3/2), позволяет реализовать газоразрядный кислород-йодный лазер.Thus, the laser design shown in FIG. 1, equipped with a gas-dynamic gas cooling device for lowering the threshold level of inversion between the levels I ( ² P _1/2 ) and I ( ² P _3/2 ), allows implementing a gas-discharge oxygen-iodine laser.

Газоразрядный кислород-йодный лазер можно реализовать и с замкнутым газовым контуром, поскольку на выходе из резонатора 8 исходная смесь, поступающая из устройства 1 (Фиг.1), содержит в себе дополнительно только йод, который при низких температурах превращается в кластеры, которые можно удалить из смеси пассивной (фильтры) или принудительной сепарацией (центрифуга). Схема конструкции газоразрядного кислород-йодного лазера с замкнутым газовым контуром представлена на Фиг.2, гдеA gas-discharge oxygen-iodine laser can also be implemented with a closed gas circuit, since at the outlet of the resonator 8, the initial mixture coming from device 1 (Fig. 1) additionally contains only iodine, which at low temperatures turns into clusters that can be removed from a mixture of passive (filters) or forced separation (centrifuge). The design diagram of a gas-discharge oxygen-iodine laser with a closed gas circuit is presented in figure 2, where

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O₂:Ar), (O₂:He), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);1 - a device for supplying a gas mixture to a gas circuit, made in particular in the form of a high pressure volume containing an oxygen mixture, for example, one of the following gas media (O ₂ : Ar), (O ₂ : He), (O ₂ : CO : Ar), (O ₂ : H ₂ : Ar), (O ₂ : D ₂ : Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;2 - device for supersonic gas outflow;

3 - разрядная камера;3 - bit chamber;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;4 - wide-aperture electron accelerator generating an electron beam;

5 - источник питания;5 - power source;

6 - камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;6 - a chamber for mixing iodine with a gaseous medium enriched in singlet oxygen;

7 - устройство подачи йода;7 - iodine supply device;

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1.315 мкм;8 - an optical resonator for generating radiation at a wavelength of 1.315 μm;

9 - сверхзвуковой диффузор;9 - supersonic diffuser;

10 - теплообменник;10 - heat exchanger;

11 - система удаления йода;11 - iodine removal system;

12 - устройство прокачки газа;12 - gas pumping device;

13, 14 - теплообменники;13, 14 - heat exchangers;

15, 16, 17, 18 - поворотные колена.15, 16, 17, 18 - rotary knees.

В данной конструкции кислородная рабочая газовая смесь, например (O₂:СО:Ar), из устройства 1 напускается в замкнутый газовый контур лазера до достижения заданного давления. При включении устройства прокачки 12 (например, компрессора или вентилятора) и при выходе на заданный режим газовая смесь прокачивается по газодинамическому контуру лазера. Газовая смесь в устройстве 2 разгоняется до сверхзвуковой скорости с целью ее охлаждения до заданного уровня, охлажденный газ поступает в разрядную камеру 3, разряд в которой контролируется электронным пучком от широкоапертурного ускорителя электронов 4, регулируемое напряжение на разрядную камеру подается от источника питания 5, смешение синглетного кислорода и йода производится в камере смешения 6, йод поступает в камеру смешения из устройства подачи йода 7, генерация когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм производится в оптическом резонаторе 8, обратный перевод потока в дозвуковой режим производится в сверхзвуковом диффузоре 9. Перевод потока в дозвуковой режим в сверхзвуковом диффузоре 9 производится для уменьшения гидравлических потерь на элементах газового контура и улучшения условий работы устройства прокачки 12. Поскольку при торможении потока в сверхзвуковом диффузоре 9 происходит повышение температуры газа, которая может заметно превысить начальное значение из-за вложенной в газ энергии в разрядной камере, за сверхзвуковым диффузором 9 расположен теплообменник 10, понижающий температуру газа до уровня, при котором происходит интенсивное образование кластеров йода, например до 260К. Удаление йода из газовой смеси происходит в системе 11, путем осаждения и фильтрования, или центробежного разделения, или электростатическим осаждением, либо другим способом. Для создания оптимального теплового режима на входе в устройство прокачки 12 и на входе в устройство сверхзвукового истечения газа 2, в газовом контуре могут быть предусмотрены темплообменники 13, 14. Поворот потока осуществляется поворотными коленами 15, 16, 17, 18.In this design, the oxygen working gas mixture, for example (O ₂ : CO: Ar), from the device 1 is injected into the closed gas circuit of the laser to achieve the specified pressure. When you turn on the pumping device 12 (for example, a compressor or fan) and when reaching the specified mode, the gas mixture is pumped along the gas-dynamic circuit of the laser. The gas mixture in the device 2 is accelerated to a supersonic speed in order to cool it to a predetermined level, the cooled gas enters the discharge chamber 3, the discharge of which is controlled by an electron beam from a wide-aperture electron accelerator 4, an adjustable voltage to the discharge chamber is supplied from the power supply 5, singlet mixing oxygen and iodine is produced in the mixing chamber 6, iodine enters the mixing chamber from the iodine supply device 7, the generation of coherent radiation at a wavelength of 1.315 μm is produced optically ohm resonator 8, the reverse flow is switched to a subsonic mode in a supersonic diffuser 9. The flow is switched to a subsonic mode in a supersonic diffuser 9 to reduce hydraulic losses on the elements of the gas circuit and improve the working conditions of the pumping device 12. Since when braking the flow in a supersonic diffuser 9 there is an increase in gas temperature, which can significantly exceed the initial value due to the energy invested in the gas in the discharge chamber, heat is located behind the supersonic diffuser 9 exchanger 10, which lowers the temperature of the gas to a level at which intensive formation of iodine clusters occurs, for example, to 260K. The removal of iodine from the gas mixture occurs in the system 11, by precipitation and filtration, or centrifugal separation, or electrostatic precipitation, or in another way. To create the optimal thermal regime at the inlet to the pumping device 12 and at the inlet to the supersonic gas outflow device 2, heat exchangers 13, 14 can be provided in the gas circuit. The flow is rotated by rotary elbows 15, 16, 17, 18.

Использование смесей (O₂:СО:Ar), (О₂:Н₂:Ar), (O₂:D₂:Ar) обусловлено тем, что газы СО, Н₂ или D₂ уменьшают вероятность развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости разряда, повышая энерговклад в его объем. Установлено также, что в смеси O₂:СО:Ar происходит эффективное заселение колебательных уровней молекулы СО (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). Использование смесей (O₂:СО:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar) обусловлено тем, что газы СО, Н₂ или D₂ уменьшают вероятность развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости разряда, повышая энерговклад в его объем. Установлено также, что в смеси O₂:СО:Ar происходит эффективное заселение колебательных уровней молекулы СО (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). Поскольку в предлагаемой конструкции разряд, контролируемый электронным пучком, функционирует при условиях, характерных для газоразрядного СО-лазера, а температура 100÷150К, при которой высокая инверсия между уровнями I(²Р_1/2) и I(²Р_3/2), является также рабочей температурой для СО-лазера, включение в конструкцию дополнительного оптического резонатора СО-лазера (позиция 9, Фиг.3) позволит наряду с излучением на длине волны кислород-йодного лазера λ=1,315 мкм генерировать дополнительно излучение на длине волны СО-лазера λ=2,7 мкм.The use of mixtures (O ₂ : CO: Ar), (O ₂ : H ₂ : Ar), (O ₂ : D ₂ : Ar) is due to the fact that the gases CO, H ₂ or D ₂ reduce the likelihood of the development of adherent drift instability of the discharge , increasing energy input in its volume. It was also established that in the O ₂ : CO: Ar mixture, the vibrational levels of the CO molecule are effectively populated (A.A. Ionin, Yu M. Klimachev, AA Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). The use of mixtures (O ₂ : CO: Ar), (O ₂ : H ₂ : Ar), (O ₂ : D ₂ : Ar) is due to the fact that the gases CO, H ₂ or D ₂ reduce the likelihood of the development of adherent drift instability of the discharge , increasing energy input in its volume. It was also established that in the O ₂ : CO: Ar mixture, the vibrational levels of the CO molecule are effectively populated (A.A. Ionin, Yu M. Klimachev, AA Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). Since in the proposed design a discharge controlled by an electron beam functions under conditions typical of a gas-discharge CO laser, and the temperature is 100 ÷ 150 K, at which a high inversion between the levels I ( ² P _1/2 ) and I ( ² P _3/2 ) is also the operating temperature for the CO laser, the inclusion of an additional optical resonator of the CO laser in the design (item 9, Fig. 3) will make it possible, along with the radiation at the wavelength of the oxygen-iodine laser λ = 1,315 μm, to generate additional radiation at the wavelength of the CO- laser λ = 2.7 μm.

Схема конструкции такого комбинированного газоразрядного кислород-йодного лазера и СО-лазера с открытым газовым контуром представлена на Фиг.3, гдеThe design diagram of such a combined gas-discharge oxygen-iodine laser and an open-loop CO laser is shown in FIG. 3, where

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (О₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:СО:Ar), (O₂:Н₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);1 is a device for supplying a gas mixture to the gas circuit, made in particular in the form of a high pressure volume containing an oxygen mixture, for example, one of the following gas media (O ₂ : Ar), (O ₂ : Not), (O ₂ : СО : Ar), (O ₂ : H ₂ : Ar), (O ₂ : D ₂ : Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;2 - device for supersonic gas outflow;

3 - разрядная камера;3 - bit chamber;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;4 - wide-aperture electron accelerator generating an electron beam;

5 - источник питания;5 - power source;

6 - камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;6 - a chamber for mixing iodine with a gaseous medium enriched in singlet oxygen;

7 - устройство подачи йода;7 - iodine supply device;

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1,315 мкм;8 - an optical resonator for generating radiation at a wavelength of 1.315 μm;

19 - оптический резонатор СО-лазера для генерации излучения на длине волны 2,7 мкм.19 is an optical cavity of a CO laser for generating radiation at a wavelength of 2.7 μm.

Схема конструкции комбинированного газоразрядного кислород-йодного лазера и СО-лазера с замкнутым газовым контуром представлена на Фиг.4, гдеA design diagram of a combined gas-discharge oxygen-iodine laser and a closed-loop CO laser is shown in FIG. 4, where

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);1 - a device for supplying a gas mixture to the gas circuit, made in particular in the form of a high pressure volume containing an oxygen mixture, for example, one of the following gas media (O ₂ : Ar), (O ₂ : He), (O ₂ : CO : Ar), (O ₂ : H ₂ : Ar), (O ₂ : D ₂ : Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;2 - device for supersonic gas outflow;

3 - разрядная камера;3 - bit chamber;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;4 - wide-aperture electron accelerator generating an electron beam;

5 - источник питания;5 - power source;

6 - камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;6 - a chamber for mixing iodine with a gaseous medium enriched in singlet oxygen;

7 - устройство подачи йода,7 - iodine supply device,

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1.315 мкм;8 - an optical resonator for generating radiation at a wavelength of 1.315 μm;

9 - сверхзвуковой диффузор,9 - supersonic diffuser,

10 - теплообменник,10 - heat exchanger,

11 - система удаления йода;11 - iodine removal system;

12 - устройство прокачки газа;12 - gas pumping device;

13, 14 - теплообменники;13, 14 - heat exchangers;

15, 16, 17, 18 - поворотные колена;15, 16, 17, 18 - rotary knees;

19 - оптический резонатор СО-лазера для генерации излучения на длине волны 2,7 мкм.19 is an optical cavity of a CO laser for generating radiation at a wavelength of 2.7 μm.

Claims (3)

1. Кислород-йодный лазер, содержащий камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм, на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(²P_1/2) на уровень I(²Р_3/2), устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа, отличающийся тем, что в него введены разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода, а также введен оптический резонатор СО-лазера для дополнительной генерации излучения с длиной волны Δ=2,7 мкм на колебательно-вращательных переходах состояний молекулы окиси углерода, расположенный за разрядной камерой или после оптического резонатора для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм.1. An oxygen-iodine laser containing a chamber for mixing iodine with a singlet-oxygen-enriched gas medium, a device for supplying iodine to the mixing chamber, an optical resonator for generating coherent radiation at a wavelength of 1.315 μm, at a magnetic dipole transition of the iodine atom from level I ( ² P _1/2 ) to level I ( ² P _3/2 ), a device for supplying a gas mixture of oxygen-containing gas to the gas circuit, a device for supersonic gas outflow, characterized in that a discharge chamber with a power source and a wide-aperture electron accelerator is introduced into it, controlling a non-self-sustaining discharge in the aforementioned discharge chamber, in which gas-discharge generation of singlet oxygen takes place, and an optical cavity of a CO laser is introduced for additional generation of radiation with a wavelength of Δ = 2.7 μm at vibrational-rotational transitions of states of a carbon monoxide molecule located behind the discharge a camera or after an optical resonator to generate coherent radiation at a wavelength of 1.315 microns. 2. Кислород-йодный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве смеси газов используется одна из следующих газовых сред: (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar).2. The oxygen-iodine laser according to claim 1, characterized in that one of the following gaseous media is used as a mixture of gases: (O ₂ : Ar), (O ₂ : He), (O ₂ : CO: Ar), ( O _2: H _2: Ar), (O _2: D _2: Ar). 3. Кислород-йодный лазер по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с замкнутым газовым контуром, включающим дополнительно сверхзвуковой диффузор, теплообменники, систему удаления йода из рабочей смеси, устройство прокачки газа и поворотные колена.3. The oxygen-iodine laser according to claim 1, characterized in that it is made with a closed gas circuit, including an additional supersonic diffuser, heat exchangers, a system for removing iodine from the working mixture, a gas pumping device and rotary elbows.

Images