FZÚ AV ČR                                                       Sekce výkonových systémů

COIL – Laser pro budoucí náročné technologie

Sekce Výkonových systémů Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR v Praze je zaměřena na výzkum výkonových jodových laserů, a to jednak impulsního fotodisociačního systému PALS (Prague Asterix Laser System) a jednak kontinuálního chemicky čerpaného systému COIL (Chemical Oxygen-Iodine Laser). Oba tyto lasery září na laserovém přechodu atomu jodu v blízké infračervené oblasti při vlnové délce 1,315 mm, avšak energetické čerpání horní laserové hladiny jodu se děje zcela odlišným mechanismem. Zatímco u PALS(u) se k čerpání využívá ultrafialové světlo z výbojek, u COIL(u) pak energie excitovaného molekulárního kyslíku, která primárně pochází z chemické reakce.

Chemické lasery

Chemické lasery jsou speciální skupinou plynových laserů, u kterých dochází k velmi účinné přeměně primární chemické energie v energii koherentního laserového záření. Energie uvolněná v řetězové samovolné nebo iniciované chemické reakci může za vhodných podmínek vyvolat inversi populace atomu nebo molekuly na vibračních nebo vibračně- rotačních přechodech, která je doprovázena laserovým zářením. Na tomto principu pracují např. halogenové HF/DF lasery s vlnovou délkou mezi 2,7 až 3,4 mm. Kratší vlnovou délku, která je z hlediska aplikací mnohem výhodnější, mají chemické lasery s energeticky bohatším elektronovým přechodem mezi excitovaným stavem laserové částice a jejím základním stavem. Tento excitovaný stav je zpravidla metastabilní s dlouhou dobou života, a proto stimulovaná emise probíhá velmi pomalu. Avšak velký reservoár energie takové částice může být využit k energetickému "čerpání" jiné, pro laserový přechod vhodnější molekuly nebo atomu. K takovému procesu dochází za vhodných podmínek v plynném prostředí srážkovým procesem.

Princip a mechanismu činnosti COIL(u)

Chemický kyslík-jodový laser, COIL z angl. Chemical Oxygen–Iodine Laser, pracuje na principu přenosu elektronové energie z molekulárního metastabilního kyslíku v elektronově excitovaném singletovém delta stavu, O₂(¹D_g), na atom jodu, a to téměř resonančním srážkovým procesem. Singletový kyslík jako primární zdroj energie pro čerpání laseru je generován chemickou cestou. Mechanismus COIL(u) může být zjednodušeně popsán těmito třemi procesy:
a) proces generování singletového kyslíku chemickou reakcí plynného chloru se zásaditým roztokem peroxidu vodíku,

Cl₂ + H₂O₂ + 2KOH ® O₂(¹D_g) + 2H₂O + 2KCl

b) proces laserového čerpání atomárního jodu,

O₂(¹D_g) + I(²P_3/2) Û I(²P_1/2) + O₂(³D_g)

c) proces stimulované emise atomárního jodu doprovázené laserovým zářením.

I(²P_1/2) Þ I(²P_3/2) + hn (1,315 mm).

Singletový kyslík má výjimečné fyzikální a fyzikálně-chemické vlastnosti, a jednou z nejdůležitějších pro COIL je jeho extrémně dlouhá zářivá (bezsrážková) doba života (~70 min). Může být proto generován v samostatném zařízení, tzv. generátoru singletového kyslíku. Pouze uvedenou chemickou reakcí je možné jej získávat v tak velkých koncentracích a při tak velkých parciálních tlacích, jaké vyžaduje výkonový supersonický COIL. V konvenčním laseru je část jeho energie třeba také pro disociaci molekulárního jodu, který slouží jako zdroj atomů pro laserovou akci. Nadzvuková (supersonická) expanze proudícího laserového media v oblasti resonátoru má několik fyzikálních důvodů. Z nich jmenujme např. vliv na hodnotu rovnovážné, tepelně závislé konstanty „čerpací" reakce, který se díky podstatnému ochlazení proudícího plynu pozitivně projeví účinnějším využitím energie singletového kyslíku pro laserovou akci. Supersonická laserová zařízení jsou mnohem menších rozměrů při stejných výkonech než počáteční systémy se subsonickým prouděním. Supersonickou expansí laserového media se docílí také lepší homogenita laserového svazku. Hlavní komponenty supersonického COIL(u) jsou schematicky znázorněny v uvedené prezentaci (anglicky).

Vlastnosti COIL(u) z hlediska aplikací

Chemicky čerpaný jodový laser má z hlediska potenciálního využití sám o sobě i ve srovnání s nejpoužívanějšími technologickými laserovými systémy některé výhodné vlastnosti. Zmíníme zejména jeho vysokou účinnost (až do 40 %) a možnost generovat velmi vysoké výkony (až na megawattovou úroveň). Ve srovnání s CO₂ laserem (l = 10,6 mm) a CO laserem (l = 4–8 mm) má podstatně kratší vlnovou délku, což umožňuje používat optických vláken k vedení laserového svazku k místu aplikace. Díky kratší vlnové délce je také záření COIL(u) mnohem účinněji absorbováno kovovými materiály, což je výhodné pro materiálové technologie. Laserový systém Nd:YAG má sice podobnou vlnovou délku jako COIL (l = 1,06 mm) a tedy může využívat vláknovou techniku, avšak neposkytuje příliš vysoké kontinuální výkony.

Projekty aplikací COIL(u)

Výkonové multi-kilowattové COIL systémy jsou v současné době vyvíjeny v USA, SRN, Japonsku, Rusku, Koreji, Číně a v Indii. Další menší laserová zařízení s výkony do 2 kW existují v mnoha ústavech a na universitách ve světě (včetně našeho oddělení ve FZÚ AV), kde slouží k základnímu výzkumu některých problémů v provozu tohoto laserového systému. Bylo vypracováno několik konkrétních projektů pro využití COIL(u) jako technologického mobilního laserového komplexu, např. pro likvidaci a demontáž vyřazených kontaminovaných částí jaderných reaktorů a elektráren, nebo některých nebezpečných těžko dostupných součástí chemických provozů, dále v loďařském průmyslu pro řezání silných kovových plátů a v naftovém průmyslu při těžbě z mořského dna. Megawattový COIL systém je vyvíjen pro vojenské účely jako součást protiraketového obranného systému Airborne laser.

Výzkum COIL(u) ve Fyzikálním ústavu AV ČR

Oddělení chemických laserů Fyzikálního ústavu AV se podílí na vývoji tohoto laseru především základním experimentálním a teoretickým výzkumem některých problémů souvisejících s provozem COIL(u). V minulých letech jsme se věnovali hlavně studiu fyzikálně-chemických procesů při generování singletového kyslíku v různých chemických generátorech a podařilo se nám např. experimentálně určit hodnotu Einsteinova koeficientu pro emisi singletového kyslíku používanou při měření jeho koncentrace optickou metodou. Studovali jsme impulsně-periodický režim subsonického laseru při modulaci zesílení laserového přechodu jodu pomocí magnetického pole a dále jsme se zabývali studiem fluidně- dynamických procesů nejprve v subsonickém a posléze v supersonickém laserovém zařízení. Současný vědecký program oddělení je zaměřen na řešení dvou problémů: 1/ na účinnější produkci atomárního jodu pro laserovou akci jednak chemickou metodou z plynných reakčních složek přímo v laseru a jednak elektrickým výbojem ve sloučeninách jodu, a 2/ na vývoj originálně navrženého generátoru singletového kyslíku pro podmínky Airborne laseru. Na základě výsledků provedeného teoretického studia obou problémů pomocí počítačového modelování jejich úspěšné vyřešení přispěje ke zvýšení účinnosti laserové generace (tj. zvýšení výkonu laseru) a ke zjednodušení technologické obslužnosti celého laserového systému. Pro studijní účely je v současné době k dispozici laboratorní prototyp supersonického COIL(u) s výkony do jednoho kilowattu a několik dalších pomocných experimentálních zařízení.

Partnerská spolupráce

US Air Force Research Laboratory at Kirkland AFB, NM, USA
Ústav termomechaniky AV ČR
Ústav anorganické chemie AV ČR
Fyzikální ústav RAV, Samara, Rusko

Způsob financování

Granty US Air Force Research Laboratory/DED, NM, prostřednictvím USAF EOARD (European Office of Aerospace Research and Development), 2001 – 2007
Grant GA ČR, 2005 – 2007
Grant MŠMT ČR (2006 – 2008) v programu Kontakt pro spolupráci s COIL laboratoří Fyzikálního ústavu Ruské AV v Samaře.

Poslední úpravy: Miroslav Čenský 26.10.2006