Laseri Chimici

Generalităţi

Laserii chimici sânt acele dispozitive cuantice în care inversia de populaţie şi efectul laser sânt produse, direct sau indirect, în cursul unei reacţii chimice exoterme. Energia chimică înmagazinată în reactanţi este convertită direct în radiaţie coerentă, reacţia chimică putând să fie (sau nu) iniţiată cu altă formă de energie din exterior.

Folosirea unei reacţii chimice pentru producerea inversiei de populaţie a fost propusă în 1961, dar demonstrarea primilor laseri chimici datează din 1964. În acel an au fost realizaţi laserul cu iod (atomii de iod provin din fotoliza CH3I) şi laserul cu HC1 (moleculele excitate de HC1 sânt formate într-o explozie între clor şi hidrogen, iniţiată fotolitic).

Dezvoltarea laserilor chimici a căpătat un nou impuls după 1969, odată cu: studierea amănunţită a laserilor chimici iniţiaţi; obţinerea funcţionării în undă continuă a laserilor chimici; punerea în funcţiune a primului laser chimic ,,pur" care nu utilizează o sursă auxiliară de iniţiere a reacţiei şi folosirea fascicu¬lelor pulsate de electroni pentru iniţierea reacţiilor chimice.

Şi în ţara noastră au existat preocupări pentru studierea laserilor chi¬mici. A fost analizat în detaliu mecanismul de formare a unei inversii de populaţie între nivele de vibratie-rotaţie în urma reacţiei explo¬zive H + O3 = OH* + O2.

Lungimile de undă emise de laserii chimici se întind în domeniul 2 - 126,5 µm şi utilizează tranziţii între stări electronice, vibraţionale şi rotaţionale.

Excesul de energie rezultat din reacţia chimică este preluat în parte de produsul de reacţie, care nu se găseşte în echilibru termic. Dezexcitarea acestui produs poate avea loc prin procese radiative sau colizionale, care sânt în competiţie. Pentru ca emisia laser să domine asupra relaxării colizionale, secţiunea transversală de emisie indusă (proporţională cu pătratul lungimii de undă şi invers proporţională cu lărgimea liniei şi timpul de viaţă de emi¬sie spontană) trebuie să fie cât mai mare. Această condiţie favorizează laserii chimici excitaţi pe stări electronice, care implică lungimi de undă mici şi timpi de viaţă foarte mici. Totuşi, cei mai des întâlniţi laseri chimici folosesc inversia de populaţie între nivelele vibraţionale. Stările electronice sânt utilizate în laserii cu fotodisociere, iar pentru inversia între nivele rotaţionale, deşi a condus la efect laser, nu s-a stabilit definitiv că este produsă numai de reacţia chimică.

Capitolul I. Tipuri de reacţii în laserii chimici

Reacţiile chimice, care au fost folosite cu succes pentru pomparea lase¬rilor, sânt descrise mai jos folosind împărţirea propusă de Pimentel.

a. Reacţii cu schimb de trei atomi

Pentru ca reacţia între un atom A şi o moleculă biatomică ВС să fie exotermă, este necesar ca legătura chimică АВ să fie mai puternică decât legătura chimică ВС. Având nevoie de energii de activare mici, reacţiile cu radicali liberi sânt în general extrem de rapide şi o parte importantă din ener¬gia disponibilă din reacţie apare ca excitare vibraţională a noii legături for¬mate.

Primul laser chimic utilizează o reacţie cu schimb de trei atomi între H şi Cl2:

în care - ΔH = 189 kJ/mol şi EA = 7,5 kJ/mol (energia eliberată şi respec¬tiv energia de activare). Energia disponibilă în urma reacţiei ( - ΔH + EA) este catalizată în proporţie de 39 % pentru a excita vibraţional moleculele nou formate de HC1 până la v = 6.

În mod analog decurge şi reacţia:

cu ΔH = 132 kJ/mol şi EA = 7,1 kJ/mol. Moleculele rezultante de HF sânt excitate până la v = 3, folosindu-se 66 % din energia disponibilă.

În amele cazuri, cele mai populate nivele vibraţionale sânt v = 2, astfel că cel mai mare câştig laser se observă pe tranziţia de vibraţie-rotaţie . Performanţele laserilor chimici sânt puţin influenţate de relaxarea rotaţională extrem de rapidă, dar procesele de dezexcitare vibra¬ţională intervin în funcţionarea laserilor chimici în undă continuă.

Pentru a realiza inversia în laserii chimici, au mai fost folosite reacţiile cu schimb de trei atomi pentru producerea de acizi halogenaţi

sau pentru producerea oxidului de carbon excitat vibraţional

Majoritatea acestor reacţii au fost utilizate pentru realizarea laserilor chimici pulsaţi prin fotoliză, pulsaţi prin descărcare sau cu curgere continuă.

O importanţă deosebită prezintă reacţia între hidrogen şi fluor, care a fost studiată în detaliu. H2 şi F2 nu reacţionează direct cu mare rapiditate şi de aceea este necesară prezenţa atomilor de H sau F. În acest caz au loc reacţiile elementare F + H2 şi H + F2, care formează împreună o reacţie în lanţ eliberându-se o energie de 14,3 kJ pe gram de fluor. Deoarece reacţia F + H2 eliberează o cantitate mai mică de energie (132 kJ/mol), ea este numi¬tă reacţie „rece", iar reacţia H + F2 este cunoscută ca reacţie „caldă" (410 kJ/mol). Laserii bazaţi pe reacţia „rece" sânt cei mai bine studiaţi şi au atins o eficienţă chimică de ~ 15%.

Referat sustinut la disciplina Fizica Laserilor