化學雷射器

化學雷射器是另一類特殊的氣體雷射器，即是一類利用化學反應釋放的能量來實現工作粒子數布居反轉（簡稱粒子數反轉）的雷射器。化學反應產生的原子或分子往往處於激發態，在特殊情況下，可能會有足夠數量的原子或分子被激發到某個特定的能級，形成粒子數反轉，以致出現受激發射而引起光放大作用。

基本介紹

• 中文名：化學雷射器
• 形式：科學術語

介紹

其泵浦源為化學反應所釋放的能量。這類雷射器大部分以分子躍遷方式工作，典型波長範圍為近紅外到中紅外譜區。最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩種裝置。前者可以在2.6～3.3微米之間輸出15條以上的譜線；後者則約有25條譜線處於3.5～4.2微米之間。這兩種器件目前均可實現數兆瓦的輸出。其他化學分子雷射器包括波長為4.0～4.7微米的溴化氫（HBr）雷射器，波長4.9～5.8微米的一氧化碳（CO）雷射器等。迄今唯一已知的利用電子躍遷的化學雷射器是氧碘雷射器，它具有高達40%的能量轉換效率，而其1.3微米的輸出波長則很容易在大氣中或光纖中傳輸。

工作方式

化學雷射器有脈衝和連續兩種工作方式。脈衝裝置首先於1965年發明，連續器件則於4年後問世。其中氟化氫和氟化氘雷射器由於可以獲得非常高的連續功率輸出，其潛在軍事套用很快引起人們的興趣。在“星球大戰”計畫的推動下，美國於80年代中期以3.8微米波長、2.2兆瓦功率的氟化氘雷射器為基礎，研製出“中紅外先進化學雷射裝置”，在戰略防禦倡議局1988年提交國會的報告中，稱其為當時“自由世界能量最大的高能雷射系統”。而氧碘雷射器則在材料加工中得到套用，並可望用於受控熱核聚變反應。化學雷射器最近的發展方向包括以數十兆瓦為目標進一步增加連續器件的輸出功率；努力提高氟化氫雷射的光束質量和亮度；並探索由氟化氫雷射器獲得1.3微米左右短波長輸出的可能性。

引發技術

產生化學雷射的化學反應一般為放熱的原子交換反應:A+BCAB*+C。為使上述化學反應能迅速地進行，必須有大量的自由原子A來引發反應，產生自由原子 A的方法就稱為引發技術。以產生氟原子的引發技術為例，就有紫外線引發、電子引發、熱引發、化學反應引發等；前三種引發方式都需要外部能源。化學反應引發方式不需要外部能源，故又稱純化學雷射器。

化學雷射器

運轉類型

1964年G.C.皮門塔爾等首先實現碘和氯化氫化學雷射，80年代已發展按下列各種類型運轉的化學雷射。

光解離型

這類體系（例如CF3I或C3F7I）主要靠外界紫外線提供能量，被激勵為激發態分子 (CF3I* 或C3F7I*），然後通過它本身的單分子解離反應，獲得激發態I*原子，並且實現粒子數反轉而產生雷射。

原子態激勵型

為了保證化學激勵進行得足夠快，使之不落後於碰撞弛豫過程，必須利用自由原子（或自由基）參加的元反應作為雷射泵反應，這是此類體系的主要特點。它依靠外界電、光、熱等能源（例如電弧加熱、閃光光解、橫向放電或電子束引發）得到所需要的自由原子（氟、氫、氯或氧）；然後，這些自由原子與第二種分子反應物（例如氫、氟、二硫化碳或臭氧）發生元反應，獲得反應產物的粒子數反轉而產生雷射。

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純化學型

這種運轉方式要比上述的原子態激勵型更為先進和實用。其特點是不需要外界各種能源，完全靠體系本身的化學反應自由能（見吉布斯函式）來得到所需要的自由原子。例如用NO+F2或D2+F2燃燒解離來得到氟原子。然後，氟原子與氫分子(或氘分子）反應，獲得激發態的HF*（或DF*）的粒子數反轉而產生雷射。CS2+O2燃燒體系也屬此類。

傳能轉移型

這類體系〔例如DF-CO2或 O2(a′Δ）-I〕的特點是化學反應產生的激發態粒子〔DF 或 O2(a′Δ）〕通過共振傳能過程，將所儲能量轉移給雷射工作粒子二氧化碳或碘原子實現反轉而產生雷射，O2(a′Δ）為電子激發態氧。　原子態激勵型和傳能轉移型可以連續波或脈衝方式工作；光解離型以脈衝方式工作；純化學型以連續波方式工作。

反轉方式

化學雷射器通過化學反應來實現粒子數的反轉，而且有不同的反轉方式，在反應初始階段往往出現全反轉分布，即反應產生的分子產物的高振動能級的分子數Nv+1比低振動能級的分子數Nv多，即振動能級之間存在粒子數反轉狀態。此時雷射腔內P支（ΔJ=-1）、Q支（ΔJ=0）、R支（ΔJ=+1）輻射躍遷，都可能產生雷射。隨著分子間相互碰撞交換能量以及級聯輻射躍遷，這種全反轉分布會逐步過渡到部分反轉分布，直至最後反轉完全消失。此外，還有些反應甚至一開始就產生部分反轉分布。其意義在於，即使高振動能級的分子數Nv+1比低振動能級的分子數Nv少，振動能級之間可以不存在粒子數反轉，但其中某些振動－轉動能級之間的分子數，仍然存在著（Nv+1,J/gJ）>（Nv,J+1/gJ+1）的關係（J為轉動能級的量子數；g為能級簡併度），即局部振轉能級之間依舊存在著粒子數反轉狀態。此時雷射腔內只能以P支躍遷發射雷射，增益也不如全反轉為高。反應過程所以能出現這種部分反轉現象，是由於振動自由度的弛豫速率遠比轉動自由度為慢，兩者之間未能及時建立平衡，振動溫度往往遠高於轉動溫度；Nv+1比起Nv又少不了多少，因而 P支反轉就有可能發生。這是氣體或化學分子雷射中粒子數反轉的一種特殊情況。氟化氫和一氧化碳化學雷射體系就是按上述的反轉方式發射雷射的。除振動－轉動能級外，某些分子的電子-振動能級也可能產生部分反轉現象。

器件類型

按躍遷機理，化學雷射器可分為三種。

純轉動化學雷射器

它是利用分子的同一振動能級中的轉動能級間的粒子數反轉，把轉動能變成相干輻射能的一類化學雷射器。這種化學雷射的輸出波長大於10微米，最長可達數百微米。雖然在化學雷射研究的早期（1967）即已被發現，但受到重視則是70年代末。現在已發現的能夠產生純轉動化學雷射的雙原子物有HF(DF）、HCI(DC1）、HO(DO）、HN。目前流行的看法認為在轉動能級間形成的粒子數反轉主要是由上振動能級到下振動能級之間的傳能造成的。已發現某些惰性氣體原子或雙原子分子特別有利於這種傳能，從而有利於實現純轉動化學雷射。純轉動化學雷射有可能用作雷射分離同位素的選擇性激發能源。此外轉動化學雷射的研究還可以提供傳能的信息。

振轉躍遷化學雷射器

是利用元反應的分子產物或自由基產物的振動- 轉動能級上的粒子數反轉，把反應釋放的能量轉化成為相干輻射能的一類化學雷射器。它是最早發現的一類化學雷射器，迄今為止在化學雷射中仍占有最重要的地位。已發現的激射物有 HF(DF）、HC1(DC1）、HBr(DBr）、HO(DO）、HCN、NO、CO、H2O、CO2等。這種雷射的輸出波長主要是在2～10微米之間。抽運反應有以下幾種類型：①在雙分子反應中有利用氫原子提取分子中的鹵素原子或利用鹵素原子提取分子中的氫原子的反應，還有利用氧原子的氧化反應；②在單分子反應中有自由基 -自由基重合反應、消去反應、插入消去反應、加成消去反應、自由基-分子反應等多種類型；③在光化學反應中有光消去反應和光解離反應等。由於此種雷射器可不用電能激勵並且其中的若干個效率較高，可研製成連續波或脈衝運轉的大能量或大功率雷射器，所以它仍然是有希望的可攜帶的用於空間的雷射武器的重要候選者。在微觀反應動力學研究中它是三種公認的較成熟的研究元化學反應產物初始振動能分布的方法之一（另兩種是紅外化學發光和雷射誘導螢光）。

電子躍遷化學雷射器

利用化學反應釋放的能量將激射介質泵到電子激發態，並達到粒子數反轉，然後受激發射產生雷射。電子激發態能量受到化學鍵能的限制，只有3～4電子伏。如果電子激發態能量超過4電子伏，就必須藉助於低能階電子激發態粒子與其他激發態粒子間的多次碰撞傳能才可能達到高能階電子激發態。　電子躍遷化學雷射器的典型例子是氧- 碘傳能雷射器。目前普遍採用的化學反應體系是用氫氧化鈉、氯和過氧化氫進行化學反應直接產生電子激發態氧O2(a′Δ）。它是禁戒躍遷態（自發發射壽命約45分鐘），實質上是一種貯能介質，必須將其能量傳遞給另一個激射介質，才能進行激射。被選中的激射介質是基態碘原子I（2P3/2），它與O2(a′Δ）通過共振傳能過程：O2(a′Δ）+I（2P3/2）─→O2(x3Σ）+I（2P┩）

得到電子激發態I（2P┩），然後受激發射產生1.315微米的碘雷射。