Химический лазер

Химический лазер — это тип лазера, в котором генерация когерентного электромагнитного излучения достигается за счёт энергии химических реакций, чаще всего экзотермических, протекающих между различными реагентами. В отличие от твердотельных, газовых или полупроводниковых лазеров, где накачка (создание инверсной населённости) осуществляется электрическим разрядом, оптическим излучением или другим внешним источником, в химических лазерах источником энергии служит непосредственно химическая связь. Это позволяет достигать чрезвычайно высоких мощностей (мегаватты и гигаватты в непрерывном режиме) и энергетических КПД, что делает их уникальными для ряда промышленных и военных применений.

История

Первые теоретические работы по возможности создания химического лазера были выполнены в начале 1960-х годов. В 1964 году американский физик Джордж Пайментл (George Pimentel) и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли впервые продемонстрировали работу химического лазера на хлористом водороде (HCl). В 1965 году был создан первый лазер на фтороводороде (HF), который стал основой для многих последующих разработок.

В 1970-е годы в СССР и США активно велись исследования по созданию мощных химических лазеров для систем противоракетной обороны и лазерного оружия. В 1978 году в США была запущена программа MIRACL (Mid-Infrared Advanced Chemical Laser), которая привела к созданию лазера на дейтерии-фториде (DF) мощностью в несколько мегаватт. В 1990-х годах в рамках программы «Звёздные войны» (SDI) разрабатывался лазер ALPHA на HF, предназначенный для космического базирования.

В России (СССР) значительный вклад в развитие химических лазеров внесли учёные Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН. В 1970-1980-х годах были созданы мощные образцы лазеров на HF и DF, в том числе для наземных испытательных стендов.

Принцип действия

Основой работы химического лазера является химическая реакция, в результате которой образуются молекулы в возбуждённом колебательно-вращательном состоянии. Эти молекулы, переходя в основное состояние, испускают фотоны, которые усиливаются в оптическом резонаторе.

Основные этапы:

Смешение реагентов: В камеру сгорания или реакционную зону подаются газообразные реагенты (например, фтор и водород или дейтерий).
Химическая реакция: Происходит экзотермическая реакция, например: F₂ + H₂ → 2HF. Образовавшиеся молекулы HF находятся в колебательно-возбуждённом состоянии (обозначено звёздочкой).
Создание инверсной населённости: В результате реакции концентрация молекул на верхних колебательных уровнях (v=1,2,3) превышает концентрацию на нижних уровнях (v=0). Это состояние называется инверсной населённостью.
Лазерная генерация: Фотоны, испускаемые при спонтанных переходах между колебательными уровнями (например, v=2→v=1 или v=1→v=0), многократно усиливаются, проходя через активную среду между двумя зеркалами резонатора.
Вывод излучения: Часть усиленного излучения выводится через полупрозрачное зеркало.

Особенности:

Для поддержания непрерывной генерации необходимо быстро удалять продукты реакции и подавать свежие реагенты. Это достигается использованием сверхзвуковых сопел и систем газодинамического охлаждения.
В большинстве химических лазеров используется проточный режим, так как накопление невозбуждённых молекул (HF или DF) быстро разрушает инверсную населённость.

Классификация

Химические лазеры классифицируются по нескольким признакам.

По типу активной среды:

Лазеры на фтороводороде (HF) — длина волны излучения 2,7–3,0 мкм (ближний инфракрасный диапазон). Обеспечивают высокую мощность, но сильно поглощаются атмосферой (особенно водяным паром).
Лазеры на дейтерии-фториде (DF) — длина волны 3,8–4,2 мкм. Менее чувствительны к атмосферному поглощению, что делает их пригодными для наземных и морских применений.
Лазеры на хлористом водороде (HCl) — длина волны около 3,5–4,0 мкм. Менее распространены, но могут использоваться в лабораторных исследованиях.
Лазеры на хлористом йоде (ICl) — работают в видимом и ближнем ИК-диапазоне, но имеют низкий КПД.
Лазеры на кислороде-йоде (COIL, Chemical Oxygen-Iodine Laser) — работают на длине волны 1,315 мкм. В качестве активной среды используется атомарный йод, возбуждаемый синглетным кислородом O₂(¹Δ). COIL является единственным химическим лазером, работающим в ближнем ИК-диапазоне, что позволяет передавать излучение по оптоволокну.

По режиму работы:

Непрерывные (CW) — наиболее распространённые для мощных промышленных и военных систем. Пример: MIRACL, лазер на DF.
Импульсные — используются для получения коротких (наносекундных) импульсов высокой энергии. Пример: лазеры на HF с поперечной накачкой.

По конструкции:

Газодинамические — реагенты смешиваются в сверхзвуковом потоке, что обеспечивает высокую скорость реакции и отвод тепла.
С замкнутым циклом — продукты реакции рециркулируются и регенерируются, что снижает расход реагентов. Такие системы сложны, но экономичны для длительной работы.

Применение

Военное применение

Химические лазеры являются основой для ряда систем лазерного оружия благодаря своей высокой мощности (до мегаватт) и возможности работы в непрерывном режиме.

Системы ПРО и ПВО: В США разрабатывались лазеры на DF для уничтожения баллистических ракет и самолётов. Программа MIRACL была испытана на полигоне Уайт-Сэндс в 1980-х годах. В 1996 году лазер MIRACL сбил несколько ракет-мишеней.
Лазер ALPHA: Разрабатывался для космического базирования в рамках программы SDI. Предполагалось, что орбитальная группировка таких лазеров сможет перехватывать межконтинентальные баллистические ракеты на начальном участке траектории.
Лазер на кислороде-йоде (COIL): Использовался в американской авиационной системе ABL (Airborne Laser), установленной на самолёте Boeing 747-400F. Система предназначалась для уничтожения баллистических ракет на активном участке траектории. В 2010 году ABL успешно сбил несколько ракет-мишеней, однако программа была закрыта из-за высокой стоимости и ограниченной дальности.
Российские разработки: В России ведутся работы по созданию мобильных химических лазеров для ПВО и противоракетной обороны. В открытых источниках упоминаются проекты «Скиф» и «Омега». В 2022 году сообщалось об испытаниях лазерного комплекса «Задира» (на основе химического лазера), способного поражать беспилотные летательные аппараты.

Промышленное применение

Обработка материалов: Мощные химические лазеры (например, на COIL) используются для резки, сварки и термообработки толстых металлических листов (до 50 мм). Благодаря длине волны 1,315 мкм излучение COIL может передаваться по оптоволокну, что упрощает интеграцию в промышленные роботы.
Лазерная химия: Используются для инициирования химических реакций, изотопного разделения (например, обогащение урана).
Научные исследования: Применяются в спектроскопии, для изучения высокотемпературных процессов, в физике плазмы.

Энергетика

Лазерный термоядерный синтез: Химические лазеры (в частности, на COIL) рассматриваются как возможные драйверы для инерциального термоядерного синтеза. Однако из-за низкой частоты повторения импульсов и сложности масштабирования уступают твердотельным лазерам.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокая мощность: Непрерывные химические лазеры могут достигать мощностей в десятки мегаватт, что недостижимо для большинства других типов лазеров.
Высокий КПД: Энергетический КПД (отношение мощности излучения к химической энергии реагентов) может достигать 20–30%, что выше, чем у газовых лазеров (например, CO₂-лазеров).
Независимость от внешнего питания: Для работы химического лазера не требуется мощный источник электроэнергии — энергия черпается из химической реакции. Это делает их пригодными для автономных систем (например, на подводных лодках или в космосе).
Компактность (для COIL): Лазеры на кислороде-йоде могут быть относительно компактными для своей мощности.

Недостатки:

Токсичность реагентов: Используемые вещества (фтор, водород, дейтерий, хлор) чрезвычайно токсичны, коррозионно-активны и взрывоопасны. Требуются сложные системы безопасности.
Сложность конструкции: Необходимость проточной системы, сверхзвуковых сопел, систем рециркуляции и утилизации продуктов реакции делает химические лазеры громоздкими и дорогими.
Ограниченный ресурс: Реагенты быстро расходуются, что ограничивает время непрерывной работы (для военных систем — минуты, для промышленных — часы).
Атмосферное поглощение: Лазеры на HF сильно поглощаются атмосферой (особенно водяным паром), что снижает дальность действия. DF-лазеры менее чувствительны, но всё же имеют ограничения.
Сложность модуляции: Из-за химической природы накачки трудно получить короткие импульсы или модулировать мощность с высокой частотой.

Интересные факты

Самый мощный химический лазер в мире — MIRACL (США), установленный на полигоне Уайт-Сэндс. Его мощность составляла около 2,2 МВт в непрерывном режиме. В 1997 году он использовался для имитации поражения спутника (в рамках программы «Звёздные войны»).
Лазер на кислороде-йоде (COIL) был впервые продемонстрирован в 1978 году в США. В 1990-х годах он был выбран для системы ABL из-за возможности передачи излучения по оптоволокну.
В СССР в 1980-х годах был построен лазерный комплекс «Терра-3» (на полигоне Сары-Шаган, Казахстан), который, по некоторым данным, использовал химический лазер на HF. Комплекс предназначался для поражения спутников и баллистических ракет.
Химические лазеры на HF и DF используются в научных экспериментах по моделированию условий в ядерных реакторах и в физике высоких энергий.
В России ведутся работы по созданию химического лазера на основе реакции фтора с водородом с замкнутым циклом, что позволит значительно снизить расход реагентов и повысить экологичность.

Источники

Пайментл, Дж. (1964). «Chemical Lasers». Scientific American.
Королёв, А. Н. (1985). «Химические лазеры». М.: Наука.
Справочник по лазерной технике / Под ред. А. М. Прохорова. — М.: Советское радио, 1978.
«High-Power Chemical Lasers» (1990). SPIE Proceedings, Vol. 1224.
«Airborne Laser: A Program in Transition» (2011). Congressional Research Service Report.
«Лазерное оружие: история и перспективы» (2020). Военно-промышленный курьер.
«Chemical Oxygen-Iodine Laser (COIL)» (2005). Encyclopedia of Laser Physics and Technology.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →