ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2014, том 117, № 1, с. 151-158
ЛАЗЕРЫ ^^^^^^^^^^^^
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 621.373:535
КИСЛОРОД-ЙОДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ОПТИЧЕСКОЙ (СОЛНЕЧНОЙ) НАКАЧКОЙ
© 2014 г. О. Б. Данилов, А. П. Жевлаков, М. С. Юрьев
Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, 199053 Санкт-Петербург, Россия
E-mail: zhevlakov_43@mail.ru Поступила в редакцию 10.12.2013 г.
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, показывающие возможность разработки кислород-йодного лазера (КИЛ) с прямой оптической накачкой молекулярного кислорода при реализации межмолекулярного взаимодействия с переносом заряда от молекулы-донора (буферный газ) к молекуле-акцептору (кислород). Это взаимодействие снимает вырождение с нижних энергетических состояний молекулярного кислорода, увеличивает сечение его поглощения в видимом диапазоне спектра и УФ полосе Герцберга. Одновременно реализуется высокий квантовый выход синглетного кислорода (соответственно QY ~ 1 и QY ~ 2). Разработаны частотно-импульсные источники оптической накачки с энергией импульса ~50 кДж, длительностью импульса ~25 мкс и частотой повторения ~10 Гц, согласованные с механизмом генерации синглетного кислорода. Это позволяет реализовать частотно-импульсный кислород-йодный лазер с эффективностью ~ до 25%, при этом оптическая эффективность составляет ~40%, параметр L/T~ 1/1.5, где T — тепловая энергия, выделяемая в активной среде лазера при генерации им энергии L. Показано, что при прямой солнечной накачке молекулярного кислорода параметр эффективности КИЛ может достигать величины L/T ~ 1/0.8 в широком диапазоне масштабирования.
DOI: 10.7868/S0030403414070058
ВВЕДЕНИЕ
Использование солнечной энергии является одним из основных направлений разработки альтернативных источников энергии в XXI веке. Существенный интерес для этих целей представляет создание лазеров с солнечной накачкой [1]. Для более полного использования солнечной энергии такие лазеры целесообразно располагать в космическом пространстве. Решающими характеристиками таких систем являются эффективность, вес (в расчете на единицу генерирующей мощности) и возможность масштабирования. Говоря об эффективности, мы прежде всего имеем в виду параметр L/T, где L — мощность лазерного излучения, T — тепловая мощность, выделяемая в лазерной системе при генерации световой мощности L. Тепловая мощность T, как правило, должна быть рассеяна холодильником в пространстве.
Сравним два варианта лазера с оптической накачкой с точки зрения величины параметра L/T. Один из них — фуллерен-кислород-йодный лазер (патент 2000 г. [2]), другой — лазер с непрямой накачкой оптическим излучением. Работы по созданию фуллерен-кислород-йодного лазера (FOIL) [3—5] были стимулированы результатами [1], где была получена генерация синглетного кислорода O2(*A) при облучении раствора фуллерена и кислорода в бензоле (C6H6) второй гармоникой излучения Nd-лазера, при этом квантовый выход син-
глетного кислорода равнялся ОУ = 0.96 ± 0.04. С точки зрения возможного использования солнечной накачки обращает на себя внимание совпадение полосы поглощения С60 с максимумом излучения Солнца (рис. 1). В этом случае концентратор солнечного излучения позволяет перехватить и использовать плотность мощности солнечного излучения ~500 Вт/м2. При этом в лазерное излучение уйдет ~200 Вт/м2, в тепловое излучение ~300 Вт/м2, соотношение Ь/Т ~ 1/1.5. Напомним,
E, Вт/(м2 мкм)
X, мкм
Рис. 1. Совмещение спектра излучения Солнца (АМ-0) (кривая 1) со спектром поглощения фуллерена С60 (3) и спектром поглощения иодида С4р9Т (2).
что солнечная постоянная на орбите Земли 1370 Вт/м2.
Оценим теперь лазерную систему с непрямой солнечной накачкой, состоящую из трех стадий:
1) солнечная энергия преобразуется фотоволь-тическими элементами в электрическую энергию,
2) полученная электрическая энергия накачивает лазерные диоды,
3) излучение лазерных диодов накачивает основной лазер.
Рекордная эффективность для каждой из этих стадий на сегодняшний день составляет соответственно 42.4% [6], 70% [7] и 56% [8]. Общая результативность ~16.6%. Это означает, что параметр Ь/Т ~ 1/5. Существенная разность в эффективности двух подходов объясняет приоритет, отдаваемый в [9, 10] лазеру с прямой солнечной накачкой.
В 1997 г. был опубликован проект 50 кДж фото-диссоционного йодного лазера с прямой солнечной накачкой [11]. В качестве йодида использовался с полосой фотодиссоциации X ~ ~ (290 ± 20) нм (рис. 1). В условиях отсутствия пиролиза срок действия лазера при одной заправке оценивался в [11] в ~ пять лет. Замкнутый цикл активной среды основан на тепловом насосе с жидкостно-газовым циклом. В работе [11] удалось реализовать дизайн системы с общим весом порядка 10 метрических тонн при удельной мощности лазера ~5 Вт/кг. Ключевым элементом лазерной системы [11] является холодильник. Лазерная система [11] состоит из генератора, преду-силителя и оконечного усилителя. На вход оконечного усилителя из предусилителя подается лазерное излучение мощностью ~4 кВт, усиливаемое в оконечном усилителе до 50 кВт. Величина рассеиваемой тепловой мощности составляет 296 кВт. Таким образом, в первом приближении по оконечному усилителю параметр Ь/Т = 1/6 [11]. Учитывая, что соотношение энергий фотонов генерации и накачки в [11] составляет к\Ь/к\р = = 1/5, значение Ь/Т должно было бы составлять Ь/Т ~ 1/4. Практически это равно стоксовым потерям. Реально в [11] мощность холодильника приблизительно в 1.5 раза больше. Это объясняется тем, что кроме тепла, которое появляется в самом процессе генерации лазера, есть дополнительное тепло, получаемое при генерации электроэнергии фотовольтическими элементами для функционирования лазерно-оптической системы в целом [11]. Отметим, что для генерации фо-тодиссоционного лазера используется спектральная плотность УФ крыла излучения Солнца (X ± ± АХ = 290 ± 25 нм, рис. 1), т.е. только малая часть солнечного спектра (в расчете на 1 м2 концентратора — ~25 Вт, площадь концентратора в [11] ~104м2, диаметр зеркала концентратора 111 м).
На основании [11] оценим важнейшие параметры FOIL с солнечной накачкой. В [12, 13] показана возможность использования жидкостно-газового цикла и конструктивных решений, применяемых в химических генераторах синглетного кислорода. Возможно применение систем с центрифугами, в которых при оптической накачке происходит взрывное вскипание метастабильной жидкости с последующей генерацией синглетного кислорода и выведением его в газовую фазу. Эти процессы в растворе кислорода и фуллеренов в CCl4 рассмотрены в [12]. Именно взрывное вскипание раствора вблизи поглощающих центров позволило вывести в газовую фазу полученный синглетный кислород.
Оценку энергетических возможностей FOIL космического базирования с солнечной накачкой можно получить (на основе проекта [11]), сохраняя холодильник мощностью T ~ 300 кВт и площадью 388 м2 и жидкостно-газовый цикл активной среды. При этом параметр, который изменяется при переходе от рассмотрения фотодиссоционного лазера к FOIL, это эффективность, определяемая параметром L/T. Нетрудно понять, что если FOIL дает принципиальную возможность достичь L/T = 1/1.5 при квантовом выходе синглетного кислорода 0У(1АО2) ~ 1, то величина L может составить ~200 кВт (в рамках проекта [11]). При этом площадь концентратора оценивается величиной ~1000 м2 в соответствии со спектральными возможностями фуллерена (рис. 1). Диаметр концентратора ~35 м.
Отметим, что в [14—16] при использовании углеводородных сенсибилизаторов в растворах получен квантовый выход синглетного кислорода QY(1AO2) ~ 2. Эти ранние (1983 г.) результаты требуют дополнительных исследований и современного осмысления. В этих работах используется оптическая лазерная накачка с длинами волн 345 и 532 нм (вторые гармоники рубинового и неоди-мового лазеров). Результаты [15, 16] позволяют считать, что кислород-йодный лазер с оптической накачкой при использовании соответствующих сенсибилизаторов и удачном стечении обстоятельств может дать отношение L/T = 1/0.25. В этом случае величина выходной мощности FOIL в рамках проекта [11] может достигать L ~ ~ 1.2 МВт без изменения других ключевых параметров. При этом площадь концентратора солнечного излучения составит ~3000 м2, а диаметр концентратора ~61 м. Эти величины не превосходят площади и диаметра концентратора в [11]. Приведенные параметры в настоящее время, по-видимому, могут рассматриваться как предельные параметры фуллерен-кислород-йодного лазера с солнечной накачкой. Вес такого лазера (по аналогии с [11]) составит примерно 10 метрических тонн. Дальнейшее наращивание энергетических
характеристик FOIL с солнечной накачкой может осуществляться в рамках многомодульной системы с удельной мощностью лазерного излучения ~120 Вт/кг, т.е. в 24 раза большей, чем в [11]. Таким образом, FOIL с солнечной накачкой имеет перспективу развития в мегаваттном и мультиме-гаваттном энергетических диапазонах. Однако сегодня, когда встает вопрос о возможности реальной утилизации солнечной энергии, речь идет о системах, сравнимых по мощности с блоком АЭС.
Разработка физических подходов и формирование облика таких систем являются мотивацией и задачей настоящей работы, так как рассмотренный выше FOIL в процессе масштабирования (при очень удачных параметрах эффективности) сталкивается с трудностью преодоления весового барьера, который по порядку величины составляет ~10000 тонн.
О ПРЯМОЙ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА
В настоящее время широко используется прямая оптическая накачка растворенного молекулярного кислорода. Эта технология применяется, в частности, в медицинских целях для генерации синглетного кислорода [17]. Генерация синглетного кислорода в этих условиях осуществляется за счет частичного снятия запрета на оптический переход между основным состоянием молекулы кислорода и первым возбужденным (синглет-ным) ее состоянием. Снятие запрета происходит за счет взаимодействия молекулы кислорода с молекулами растворителя, причем наиболее эффективным механизмом взаимодействия является перенос заряда от молекулы раств
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.