Der chemische Laser ist ein Laser, dessen Strahlungsquelle eine chemische Reaktion ist , meist exotherm , die elektromagnetische Strahlung ( Chemilumineszenz ) emittiert . Die emittierten elektromagnetischen Wellen werden durch Mehrfachreflexionen an einem Spiegel verstärkt. So verstärkt werden sie aus dem Resonanzhohlraum emittiert.
Somit sind die drei Komponenten eines chemischen Lasers:
Chemische Laser sind entweder vom Infrarot- Typ oder vom Ultraviolett- Typ , abhängig davon, ob die Moleküle aus der Infrarot-Domäne des Spektrums oder aus der Ultraviolett-Domäne angeregt werden. Die theoretische Grundlage des Lasers ist die verlängerte Anregung von Atomen, die die Wahrscheinlichkeit erhöht , höhere Energieniveaus als im Grundzustand des Moleküls einzunehmen. Wir sprechen über diese Populationsinversion , und deshalb bezieht sich das Akronym "Laser" auf eine stimulierte Emission .
Chemische Laser nutzen die bei einer chemischen Reaktion freigesetzte Energie, meist in der Gasphase, die meist in Form der kinetischen Schwingungsenergie des Moleküls gespeichert wird (vgl. Molekulare Schwingung ). Die Laseranregung ist daher meistens eine Anregung von Rotationsschwingungen aus dem elektronischen Grundzustand im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 10 um . Chemische Energie wird in kohärente Strahlung umgewandelt . Es wird durch eine exotherme chemische Reaktion mit geringem oder keinem elektrischen Energieeintrag erhalten.
Diese Laser sind insofern nicht rein chemisch, als es dennoch notwendig ist, zuerst die Atome oder Moleküle in Reaktion durch eine elektrische Entladung, eine Reaktion der Photolyse oder einen Kathodenstrahl usw. anzuregen . Die Verstärkung der Strahlung wird durch einen Resonanzhohlraum mit Spiegeln senkrecht zur Reaktoröffnung sichergestellt.
Die Forschung an diesem Lasertyp wurde in den USA seit 2012 im Rahmen des Kampfes gegen Treibhausgase eingestellt, um sich nun auf alkalische Laser an der Basis von Laserdioden zu konzentrieren .
Dieser Laser basiert auf der folgenden Reaktionssequenz:
(wobei hν die Freunde der ultravioletten Photonen durch die Entladungslampe darstellt)
Der Salzlaser besteht im Wesentlichen aus einem Wasserstoffrohr, in dem das Gas um eine Halogenglühlampe strömt . Es bildet sich im Rohr elektronisch angeregte Gasmoleküle: Ihre Strahlung wird durch ein Spiegelpaar senkrecht zur Austrittsöffnung verstärkt, wodurch die Laseremission erzeugt wird, die eine kohärente verstärkte Lichtstrahlung ist.
Laserquelle | Wellenlänge in μm |
---|---|
Flusssäure (HF) | 1.3 |
Salzsäure (HCl) | 2.6–3.5 |
Deuteriumfluorid (DF) | 3.5–4.1 |
Bromwasserstoffsäure (HBr) | 4.0–4.2 |
Bestimmte chemische Reaktionen können Moleküle erzeugen, die elektronisch angeregt werden. Dies ist der Fall bei der Synthese von Flusssäure, einer exothermen Reaktion, die geschrieben steht:
mit ΔH = 132 kJ / mol
Die abgestrahlte Energie ΔH übersteigt das Grundniveau des Flusssäuremoleküls HF um fast 70%. Der Übergang von Elektronen zwischen angeregten Pegeln mit den entsprechenden v Quantensprüngen erzeugt die Quellenstrahlung. Die Erregung ist selektiv und löst die Populationsinversion zwischen den Vibrationsmodi aus.
Laserstrahlung tritt im Bereich von 2,6 bis 3,5 μm auf , wobei bestimmte Spektrallinien den spezifischen Rotationsmoden des Moleküls entsprechen.
6: 6: 9: 16: 20: 33: 30: 16: 9: 6: 6.
Der Fluorwasserstofflaser hat einen Betriebszyklus, der mit dem des Salzlasers identisch ist (Wasserstoff wird in Deuterium umgewandelt), außer dass die Initiationsreaktion, die freie Fluoridradikale erzeugt , durch Beschuss einer Substanz (weniger schädlich als reines Fluor, z. B. Schwefelhexafluorid ) erhalten wird. mit einer Elektronenkanone. Der immer im Reaktionsmedium vorhandene gasförmige Sauerstoff ermöglicht die Evakuierung des Schwefels in Form von SO 2 -Dioxid . Nur etwa 1% des injizierten Gases reagiert in der Laserquelle.
Diese Fluorwasserstofflaser wurden (aber nur gelegentlich) für Raketen verwendet. Ihre Verwendung in der Spektroskopie ist ebenfalls möglich.
Ein typisches Gasgemisch dieser Laser ist der FM-200 , der in eine Ampulle mit einer Silikat- Laserkanone mit einem Druck zwischen 30 und 300 mbar geladen wird . Der Reaktionsprozess ist wie folgt:
Es wurde erwogen, diese Jodlaser für die Kernfusion zu verwenden.
Dieser Laser ( chemischer Sauerstoff-Jodlaser ) ist eine Variante des Jodlasers. Es emittiert im mittleren Infrarot (λ = 1,315 µm ).
Zunächst muss ein Singulett aus Disauerstoff ( 1 ΔO 2 ) eingeführt werden, das durch Energieübertragung die Rolle der Pumpe für das Iodatom spielt. Die Iodatome werden somit angeregt, wodurch eine Populationsinversion zwischen dem Grundzustand I ( 2 P3 / 2) und dem ersten angeregten Zustand I ( 2 P1 / 2) erzeugt wird. Die Energie reicht aus, um die Dissoziation der Jodgasmoleküle aufrechtzuerhalten.
Das gesamte im Resonanzhohlraum vorhandene reaktive Gemisch hat eine Strömungsgeschwindigkeit, die doppelt so hoch ist wie die Schallgeschwindigkeit . Eine bemerkenswert effiziente Populationsinversion wird somit bei niedrigen Temperaturen und unter niedrigem Druck erreicht. Es kommt auch vor, dass das angeregte Sauerstoff-Jod-Gasgemisch strahlt, ohne das elektromagnetische Feld des Hohlraums zu stören : Die Laserstrahlung ist sowohl sehr stabil als auch von hoher Effizienz.