Технические науки

В последние годы получили быстрое развитие так называемые эксимерные лазеры, в которых активной средой являются нестабильные возбужденные состояния химических соединений инертных газов. После снятия возбуждения (в том числе путем испускания фотона) эти соединения распадаются. Инициирование реакций, приводящих к появлению эксимеров, осуществляется от внешних источников путем разогрева газовой смеси пучком электронов электрического разряда в газовой среде либо так называемой «ядерной» накачки (использования нейтронов ядерного реактора для образования в рабочем объеме высокоэнергетичных ионов, которые затем сами инициируют необходимые реакции). Высказывалась также идея накачки эксимерного лазера ядерным взрывом.

Эксимерные лазеры – это импульсные монохроматические лазеры. Для эксимерных реакций характерно высокое значение «внутреннего» КПД, т.е.

Избыток энергии идет, в основном, на нагрев газового компонента, который нельзя использовать для повторного процесса, пока он не остынет.

Другая особенность эксимерных лазеров связана с тем, что они излучают в ультрафиолетовом диапазоне, для которого, вообще говоря, атмосфера непрозрачна (или малопрозрачна). Приведем характерные длины волн

для галогенидов инертных газов, которые могут использоваться в эксимер-ных лазерах:

а. фтористый аргон ArF – длина волны 1930 А;

б. хлористый криптон KrCl – длина волны 2220 А;

в. фтористый криптон KrF – длина волны 2480 А;

г. хлористый ксенон ХеСl – длина волны 3080 А;

д. фтористый ксенон XeF – длина волны 3510 А. Упомянем еще молекулярный ксенон с длиной волны 1720 А .

Отметим, что эксимерные лазеры используются в качестве опорных в процессах с умножением частоты излучения. Например, удалось получить седьмую гармонику излучения фтористого криптона с длиной волны 355 А. Однако КПД такого процесса имеет порядок 10-⁵, хотя и есть надежды повысить его на два порядка величины.

Попробуем дать оценку удельному энерговыделению эксимерных лазеров, используя тот же подход, что и для химических лазеров. Будем считать, что газовая смесь прореагировала полностью, возбуждение эксимерных молекул снимается только за счет излучения лазерного фотона (число фотонов в каждом индивидуальном акте излучения равно единице), а коэффициент разбавления равен единице. Оценку проведем для двух длинноволновых эксимерных лазеров (ХеСl и XeF).

Длине волны 3080 А для ХеС1 (3510 А для XeF) соответствует энергия фотона 4 эВ (3,5 эВ для XeF). Молекулярная масса ХеСl составляет 167 (150 для XeF).

Указанные длины волн находятся как раз на границе окна прозрачности атмосферы. Для гарантированного свободного прохождения через атмосферу было бы желательно слегка увеличить длину волны. Это может быть реализовано на основе так называемого вынужденного рассеяния, когда излучение с частотой

, проходя через вещество с характеристической молекулярной частотой

, преобразуется в излучение с частотами , где п – целое число.

Приведенные выше энергетические характеристики эксимерных лазеров несколько превосходят соответствующие величины для химического лазера на фтористом водороде, если не касаться энергетики боевой лазерной станции в целом. Химическим лазерам не нужна специальная энергосистема для накачки, тогда как для эксимерных лазеров с их малым КПД проблема энергетики накачки становится основной, поскольку необходимо обеспечивать мощности порядка сотен гигаватт с частотой повторения порядка десятка герц.

Кажется очевидным, что подобные требования не могут быть выполнены энергетическими установками космического базирования, мощность которых жестко ограничена массой и габаритами. Размещение на станции накопителей энергии, способных обеспечить такие энергозатраты, приводит к неприемлемому увеличению массы станции, поскольку массовый эквивалент энергии для накопителей слишком велик – значение 100 Дж/г для многих накопителей пока что является желательным, но отдаленным ориентиром.

По этой причине применение эксимерных лазеров на боевых космических станциях считается нецелесообразным. Напротив, эксимерные лазеры наземного базирования сторонниками СОИ рассматриваются как перспективный элемент системы ПРО. Предлагаются сложные схемы нацеливания на атакующие ракеты противника с использованием системы зеркал космического базирования, часть которых может располагаться даже на геостационарной орбите (см. рис. 1.4). Это, в принципе, возможно благодаря малой длине волны эксимерного лазера, благодаря чему дальность поражения (при тех же размерах зеркала) увеличивается по сравнению с химическим НF-лазером в ~10 раз.