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化学激光器的运转类型

2023.1.10

光解离型

这类体系(例如CF3I或C3F7I)主要靠外界紫外线提供能量,被激励为激发态分子 (CF3I* 或C3F7I*),然后通过它本身的单分子解离反应,获得激发态I*原子,并且实现粒子数反转而产生激光。


原子态激励型

为了保证化学激励进行得足够快,使之不落后于碰撞弛豫过程,必须利用自由原子(或自由基)参加的元反应作为激光泵反应,这是此类体系的主要特点。它依靠外界电、光、热等能源(例如电弧加热、闪光光解、横向放电或电子束引发)得到所需要的自由原子(氟、氢、氯或氧);然后,这些自由原子与第二种分子反应物(例如氢、氟、二硫化碳或臭氧)发生元反应,获得反应产物的粒子数反转而产生激光。


纯化学型

这种运转方式要比上述的原子态激励型更为先进和实用。其特点是不需要外界各种能源,完全靠体系本身的化学反应自由能(见吉布斯函数)来得到所需要的自由原子。例如用NO+F2或D2+F2燃烧解离来得到氟原子。然后,氟原子与氢分子(或氘分子)反应,获得激发态的HF*(或DF*)的粒子数反转而产生激光。CS2+O2燃烧体系也属此类。


传能转移型

这类体系〔例如DF-CO2或 O2(a′Δ)-I〕的特点是化学反应产生的激发态粒子〔DF 或 O2(a′Δ)〕通过共振传能过程,将所储能量转移给激光工作粒子二氧化碳或碘原子实现反转而产生激光,O2(a′Δ)为电子激发态氧。 原子态激励型和传能转移型可以连续波或脉冲方式工作;光解离型以脉冲方式工作;纯化学型以连续波方式工作。


反转方式

化学激光器通过化学反应来实现粒子数的反转,而且有不同的反转方式,在反应初始阶段往往出现全反转分布,即反应产生的分子产物的高振动能级的分子数Nv+1比低振动能级的分子数Nv多,即振动能级之间存在粒子数反转状态。此时激光腔内P支(ΔJ=-1)、Q支(ΔJ=0)、R支(ΔJ=+1)辐射跃迁,都可能产生激光。随着分子间相互碰撞交换能量以及级联辐射跃迁,这种全反转分布会逐步过渡到部分反转分布,直至最后反转完全消失。此外,还有些反应甚至一开始就产生部分反转分布。其意义在于,即使高振动能级的分子数Nv+1比低振动能级的分子数Nv少,振动能级之间可以不存在粒子数反转,但其中某些振动-转动能级之间的分子数,仍然存在着(Nv+1,J/gJ)>(Nv,J+1/gJ+1)的关系(J为转动能级的量子数;g为能级简并度),即局部振转能级之间依旧存在着粒子数反转状态。此时激光腔内只能以P支跃迁发射激光,增益也不如全反转为高。反应过程所以能出现这种部分反转现象,是由于振动自由度的弛豫速率远比转动自由度为慢,两者之间未能及时建立平衡,振动温度往往远高于转动温度;Nv+1比起Nv又少不了多少,因而 P支反转就有可能发生。这是气体或化学分子激光中粒子数反转的一种特殊情况。氟化氢和一氧化碳化学激光体系就是按上述的反转方式发射激光的。除振动-转动能级外,某些分子的电子-振动能级也可能产生部分反转现象。



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