Et laser: принцип действия и применение¶

Et laser — это тип газового лазера, работающий на смеси этилена (C₂H₄) и фторида водорода (HF) или дейтерида фтора (DF), генерирующий инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 2,6 до 4,2 мкм. Относится к классу химических лазеров, в которых инверсия населённостей создаётся за счёт энергии экзотермической химической реакции между компонентами газовой смеси. Разработка лазеров данного типа велась преимущественно в СССР и России в 1970–1980-х годах для применений в спектроскопии, лазерной химии и медицине.

¶История разработки

Работы по созданию лазеров на этилене начались в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) в середине 1970-х годов под руководством академика Н. Г. Басова. Интерес к этилену как активной среде был обусловлен его уникальными колебательно-вращательными спектрами, позволяющими получать перестраиваемое излучение в среднем инфракрасном диапазоне, где расположены полосы поглощения многих молекул, включая воду, углекислый газ и углеводороды.

Первые экспериментальные образцы, созданные в 1976–1977 годах, демонстрировали импульсную генерацию при накачке электрическим разрядом. Дальнейшие исследования, проводившиеся в ФИАНе и НИИ «Полюс», привели к созданию более эффективных конструкций с поперечной накачкой и добавлением буферных газов. К началу 1980-х годов были достигнуты энергии импульса до 1 Дж при пиковой мощности порядка мегаватт.

¶Физические принципы и конструкция

¶Активная среда

Рабочей средой et laser служит смесь этилена с фторидами водорода или дейтерия. В электрическом разряде молекулы HF или DF диссоциируют, образуя атомы фтора, которые затем вступают в реакцию с этиленом:

C₂H₄ + F → C₂H₃ + HF*

Образующиеся молекулы HF* находятся в колебательно-возбуждённых состояниях (до 4–6 квантов), что создаёт инверсию населённостей между вращательными уровнями. Генерация происходит на переходах между колебательно-вращательными уровнями молекулы HF, при этом длина волны излучения зависит от изотопного состава (HF даёт линии 2,6–3,0 мкм, DF — 3,6–4,2 мкм).

¶Конструкция лазера

Типичная схема et laser включает:

• газовую кювету длиной от 0,5 до 2 метров с окнами из BaF₂ или CaF₂, прозрачными для среднего ИК-диапазона;
• систему электродов для создания поперечного или продольного электрического разряда;
• оптический резонатор, образованный глухим зеркалом с диэлектрическим покрытием и выходным зеркалом с коэффициентом пропускания 10–30 %;
• вакуумную систему для откачки и напуска газов;
• блок высоковольтного питания с ёмкостным накопителем энергии.

Рабочее давление смеси составляет 10–50 торр, соотношение компонентов C₂H₄:HF обычно выбирается в диапазоне от 1:1 до 1:5. Для стабилизации разряда в смесь добавляют гелий или аргон в количестве до 50–70 % общего давления.

¶Режимы работы и характеристики

Et laser работает преимущественно в импульсном режиме с длительностью импульса 50–200 нс. Частота повторения импульсов ограничена скоростью газообмена и составляет от единиц до нескольких десятков герц. Основные характеристики типичного лабораторного образца:

• энергия в импульсе — 0,1–1 Дж;
• пиковая мощность — 1–10 МВт;
• средняя мощность — до 10 Вт;
• спектральная ширина линии — 0,01–0,1 см⁻¹;
• расходимость пучка — 2–5 мрад.

КПД лазера не превышает 1–3 %, что объясняется значительными потерями энергии на диссоциацию HF и неполным использованием колебательной энергии продуктов реакции.

¶Применение

Основные области применения et laser связаны с его способностью генерировать излучение в спектральном диапазоне, соответствующем окнам прозрачности атмосферы и полосам поглощения многих веществ.

¶Спектроскопия и лазерная химия

Излучение на линиях HF и DF используется для селективного возбуждения колебательных уровней молекул при исследовании механизмов химических реакций, изучении процессов переноса энергии и фотодиссоциации. Лазер применяется для лазерного разделения изотопов, в частности при обогащении урана методом MPLIS (многофотонная лазерная диссоциация), где требуется точное совпадение длины волны с полосой поглощения UF₆.

¶Дистанционное зондирование атмосферы

Благодаря совпадению линий генерации с полосами поглощения водяного пара и углеводородов, et laser использовался в лидарных системах для измерения концентрации примесей в атмосфере, включая метан и лёгкие углеводороды, на трассах до нескольких километров.

¶Медицина

В экспериментальной хирургии излучение et laser применялось для рассечения биологических тканей с высокой точностью, поскольку длины волн 2,8–3,0 мкм соответствуют пику поглощения воды, что обеспечивает минимальную зону термического повреждения. Проводились исследования по использованию лазера в офтальмологии и стоматологии.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам et laser относятся: широкий набор спектральных линий, позволяющий выбирать длину волны под конкретную задачу; высокие пиковые мощности; возможность генерации на переходах как HF, так и DF в одном устройстве при замене газовой смеси.

Недостатками являются: токсичность и коррозионная активность фторида водорода, требующие специальных мер безопасности и использования коррозионностойких материалов; необходимость вакуумной откачки и точного дозирования газов; относительно низкий КПД; ограниченный ресурс работы из-за загрязнения окон продуктами реакции.

¶Развитие и современное состояние

Интерес к et laser в России сохранялся до конца 1990-х годов, после чего исследования в этом направлении практически прекратились из-за появления более удобных твердотельных лазеров с параметрическими преобразователями частоты, перекрывающими тот же спектральный диапазон. В настоящее время et laser не производится серийно и представляет преимущественно исторический интерес как пример развития химических лазеров в СССР. Отдельные лабораторные установки сохраняются в исследовательских центрах, занимающихся спектроскопией высокого разрешения.