Диагностика активной среды кислородно-йодного лазера Методом диодной лазерной спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

УДК621.373.26.038.823

ДИАГНОСТИКА АКТИВНОЙ СРЕДЫ КИСЛОРОДНО-ЙОДНОГО ЛАЗЕРА МЕТОДОМ ДИОДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

© 2001 М.В. Загидуллин1, В.Д. Николаев1, М.И. Свистун1, Н.А.Хватов1 Б.Т. Андерсон2 , Р.Ф. Тейт2 , Г.Д. Хейгер2

1 Самарский филиал Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН 2 Исследовательские лаборатории ВВС, г. Альбукерк, США

Методом диодной лазерной спектроскопии высокого разрешения определены коэффициент усиления, температура и абсолютная скорость сверхзвуковой активной кислородно-йодной среды, формируемой эжекторным сопловым блоком. Более высокая температура рабочего раствора в генераторе синглетного кислорода приводит к уменьшению коэффициента усиления, росту потерь синглетного кислорода, росту выделяемой тепловой мощности в активной среде и соответственно к росту температуры активной среды. Абсолютная скорость потока при этом изменяется слабо, а число Маха потока уменьшается. Инверсная населенность и эффективности диссоциации молекулярного йода падает с ростом содержания паров воды. Коэффициент усиления дополнительно уменьшается вследствие роста ширины доплеровской составляющей в спектре усиления. Тем не менее, основной вклад в потери 02(1А) и нагрев активной среды вносит тушение возбужденного атома йода молекулярным йодом, а не парами воды. При температуре раствора в ГСК -20°С коэффициент усиления достигает значения более 7х10-3см-1, а потери 02('А) составляют 0,20. При температуре -4°С коэффициент усиления уменьшается до 5х10-3см-1, а потери 02(1А) увеличиваются до 0,22. Энергия, потенциально извлекаемая в излучение кислородно-йодного лазера, слабо изменяется с ростом температуры раствора. Однако, уменьшение коэффициента усиления с ростом температуры раствора в ГСК может значительно уменьшить полную энергетическую эффективность лазера.

Введение

Источником энергии химического кислородно-йодного лазера является электронновозбужденный синглетный кислород 02(1А), который образуется в результате химической реакции хлора с щелочным раствором перекиси водорода [1]. Обычно начальная температура щелочного раствора перекиси водорода ниже -20°С. Реакция образования 02(1А) сопровождается выделением тепла и ведет к нагреву раствора и росту содержания паров воды в кислороде. Пары воды негативно влияют на процесс формирования активной кислородно-йодной среды, когда происходит смешение 02(1А) с молекулярным йодом и отрицательно сказываются на коэффициенте усиления и запасенной энергии в активной кислородно-йодной среде [2].

В работе [3] продемонстрирована высокая эффективность (~20%) работы кислородно-йодного лазера с высоким полным давлением активной среды в резонаторе. Активная среда формируется эжекторным сопловым блоком, на выходе которого происходит

сверхзвуковое смешение трех потоков, функционально выполняющие разные роли. Син-глетный кислород, источник энергии лазера, поступает на эжекторную сопловой блок из струйного генератора синглетного кислорода (ГСК) и вытекает в камеру смешения через ряд щелей с числом Маха ~1. Высоконапорный первичный азот, несущий основной импульс, втекает в камеру смешения через ряд цилиндрических сопел и на коротком расстоянии разгоняется до чисел Маха >2. Между двумя потоками инжектируется слабонапорный поток смеси азота с молекулярным йодом. В работе [3] показано, что на длине в несколько сантиметров происходит практически полное перемешивание всех трех потоков. Разработанный сопловой блок позволяет получать активную кислородно-йодную среду с высоким полным давлением и возможностью эффективного восстановления давления в сверхзвуковом диффузоре.

В настоящей работе проведена спектральная диагностика активной среды, формируемой эжекторным сопловым блоком. Ме-

тод диодной лазерной спектроскопии высокого разрешения успешно используется для определения коэффициента усиления, температуры активной среды кислородно-йодного лазера и коэффициентов ударного ушире-ния лазерного перехода [4-6]. Целью настоящей работы являлось определение усилительных и газодинамических параметров активной среды, формируемой эжекторным сопловым блоком, в зависимости от температуры раствора в ГСК.

Эксперимент и диагностика

На рис. 1 представлена схема установки для определения параметров активной среды, формируемой эжекторным сопловым блоком сверхзвукового кислороднойодного лазера.

Подробно процесс работы кислороднойодного лазера с эжекторным сопловым блоком описан в работе [3]. Активная среда формируется сопловым блоком, в который подаются высоконапорный азот, смесь азота с парами йода и синглетный кислород 02(1А). Синглетный кислород 02(1А) образуется в струйном генераторе синглетного кислорода (СГСК) в результате химической реакции потока хлора со струями щелочного раствора перекиси водорода как это описано в работе [7]. Утилизация хлора составляла примерно 95%, а выход 02(1А) У0 » 0,6 при расходе хлора через ГСК в0 = 39,2 ммоль/с. Сегмент эжекторного соплового блока представлен на рис.2. Пройдя переходную камеру между ГСК и сопловым блоком кислород, втекает в камеру смешения через 7 плоских щелей высо-

Сегмент соплового блока

Рис. 1. Схема спектральной диагностики активной среды и сегмент соплового блока

той 15 мм и шириной 2,5 мм, распложенных в сопловом блоке с периодом 6,5 мм. Bысoкoнaпopный азот (первичный) при комнатной температуре втекает в смесительную камеру через 56 цилиндрических каналов диаметром 1мм, расположенных в В рядах. Cмесь вторичного азота с парами йода, нагретая до 7G°C, инжектировалась в камеру смешения через 24G отверстий диаметром G,5 мм просверленных в 14 тонкостенных никелевых трубках, расположенных между кислородными и азотными соплами. Cвoбoдные газовые струи из каждого массива сопел свободно расширяются и смешиваются в смесительной камере. Cмесительнaя камера имеет начальную высоту 16 мм и ширину 5G мм. Затем на расстоянии 11 мм от соплового блока большие стенки смесительной камеры повернуты относительно оси камеры на 20, так что на расстоянии 64 мм от соплового блока высота смесительной камеры ~2G мм. Боковыми стенками смесительной камеры являлись оптические клинья, с углом при вершине 30, через которые вводился луч диагностического диодного лазера. Откачка активной среды осуществлялась механическим насосом ABЗ-125. Для создания на короткое время большей объемной скорости прокачки газовой среды открывалась бочка объемом 4 м3, которая предварительно откачивалась до давления ниже 1 мм рт.ст.. Bo время пуска газов через сопловой блок измерялись давления P1 в CTCK, P2 - перед кислородными соплами, пристеночное давление P3 в камере смешения и давление P4 в трубке Пито. Отверстие для измерения давления P3 расположено в стенке смесительной камеры на расстоянии 64 мм от соплового блока. Конец трубки Пито располагался в центре поперечного сечения смесительной камеры на расстоянии 2,25 см ниже по потоку от отверстия для датчика давления P3.

Для исследования спектра усиления активной кислородно-йодной среды был использован измерительный комплекс диодной лазерной спектроскопии высокого разрешения фирмы Physical Science Inc, настроенный на резонансную частоту сильнейшего перехода атома йода 2P1/2(F=3) ® 2P3/2(F=4). Форма спектра излучения диодного лазера была

близка к лоренцовской с шириной Ж = 8 МГ ц. Сканирование спектра осуществлялось в пределах ±1500 МГц относительно центра линии 2р1/2(р=3) ® 2р3/2(р=4).

Коэффициент усиления слабого сигнала на этом переходе равен

7 лі2

^Х) = — АМ—Ф(Х), (1)

12 8Р

где АИ полная инверсная заселенность на переходе 2Р1/2 ® 2Р3/2, А = 5,1 с-1 вероятность перехода 2Р1/2(Р=3)®2Р3/2(Р=4), 1=1,315х10-4 см - длина волны излучения, X = (п-у0) -частота излучения относительно центра линии. Полная инверсная населенность:

А = [1(2р/2)] - 0.5[і(2Р3/2)] = /(Г,¥)М1 ,(2)

где f(T,Y) функция температуры Т и содержания 02(1А) Y = [О2(1А)] / [02] в активной среде

(¥ - ¥л)(кщ + о.5 ;

( -1)+1 •

Г(Т.¥) =

N - концентрация атомарного йода, К=0,75ехр(401/Т) - константа равновесия обмена

02(1А)+1(2Р3/2) « 02(3Е)+1(2Р1/2), (3)

а Yth=(2Keq+1)-1 пороговая доля О2(1А), при которой инверсия обращается в ноль.

При действии только ударного и допле-ровского механизмов уширения спектральной линии полный форм-фактор Ф(Х) является функцией Фойхта [8],

Ф(Х) =

1п(2)

їі-

(X - 2 )2 +

Ударная ширина WL пропорциональна статическому давлению в потоке W^=a(T)P, где а(Т) коэффициент, зависящий от температуры. Полная доплеровская ширина равна

Гс(МГц) = 14,49^,

(5)

где Т - абсолютная температура в °К. Для пробного луча, направленного под углом ф к нормали скорости потока, спектр усиления из-за эффекта Доплера сдвигается на величину dW=sin(ф)U/1, где и - абсолютная скорость

активной среды.

Луч диодного лазера отклонялся призмой на угол ф = 27,5° к нормали скорости потока и входил в смесительную камеру на расстоянии 81 мм, а выходил из нее на расстоянии 55 мм от соплового блока. После отражения от зеркала луч пробного лазера вновь возвращался в активную среду под тем же углом к нормали вектора скорости потока, и его интенсивность регистрировалась фотоприемником. Спектр полного усиления для луча пробного лазера после двойного прохода активной среды равен:

1 - ехр{Ьа ((Х - dW) + g2(X + с1'№))/еоз(ф)),(6)

где La = 5 см - длина активной среды, g1(X-dW) и g2(X+dW) - усиление луча пробного лазера для прямого и обратного прохождения активной среды. Погрешность настройки угла падения пробного луча оценивается величиной ~1°.

Сканирование спектра усиления производилось в течении 5 с., во время которых наблюдались стационарные значения всех давлений и спектра усиления. Аппаратное и программное обеспечение комплекса обеспечивало регистрацию спектра усиления в реальном времени и вычисление функций g(X)=g1(X-dW)+g2(X+dW). Предполагая, что функции g1 и g2 являются функциями Фойхта их можно выделить из функции g(X), а уже из каждой можно также выделить гауссову и лоренцовскую составляющие в функции Фойхта. Пример спектра усиления активной среды, полученного при падении луча пробного лазера под углом ф = 27,5° к нормали потока, представлен на рис.2. Дальнейшая математическая обработка полученных спектров позволяла определить среднее значение коэффициента усиления g(0)=0,5(g1(0) +g2(0)) активной среды в центре линии 2Р1/2(Г=3) ® 2Р3/2(Г=4), а также значения dW, WL, WD. Заметим, что полная ширина лоренцовского форм-фактора есть сумма WL+Wл.

Расчет параметров активной среды

Из результатов обработки спектра усиления рассчитываются параметры активной среды по формулам:

полная плотность инверсной заселенности

X, МГц

Рис. 2. Пример спектра усиления для пробного лазера. А-полный спектр §(Х), сплошные линии §1(Х) и §2(Х)

на переходе 2Р1/2®2Р3/2 атома йода

АЫ--

температура

йХ

Т=

до

Б

14,4 9

Л2

У

скорость потока

и =

йЖ хЯ

(7)

(8)

(9)

зт( ф )

Зная температуру и абсолютную скорость активной среды можно определить число Маха потока по формуле

М= и т = 14,49 йЖхЯ

\кЯТ ’ Жв5Іп(У )^ы

(10)

где т - средний молярный вес активной среды, Я -универсальная газовая постоянная, к=1,4 постоянная адиабаты.

По этим данным определяются параметры торможения потока: температура Т*=Т(1 +0,2Ы2)=Т+(к-1)ти2/(2кК) и давление Р*=Р3(1+0,2М2)3-5. Так как расходы и начальные температуры всех газов известны (температура кислорода принималась равной температуре раствора в ГСК), то можно рассчитать тепловую мощность, выделяемую в активной среде: Р = (Т*-Т0*)СО, где С -молярная теплоемкость активной среды, О-полный секундный молярный расход газов через смесительную камеру. Тепловая энергия, выделяемая в активной среде, идет за счет дезактивации 02(1А) в химических процессах и за

счет конденсации паров воды в холодном сверхзвуковом потоке. Как было показано ранее, содержание паров воды в потоке кислорода из струйного ГСК полностью коррелирует с давлением насыщенных паров при температуре раствора [9]. А именно расход паров воды из ГСК равняется Од^Р^/Рр где Р^, давление насыщенных паров при температуре раствора в ГСК. Давление насыщенных паров над щелочным раствором перекиси водорода в диапазоне температур 1 = -20-^0 °С хорошо описывается зависимостью:

Р^мм рт.ст.) = 3,25ехр(0,064751) (11)

где 1 температура раствора в градусах °С. Теплота конденсации паров воды при температуре примерно 200°К равна д(Н20) = 55,7 кДж/моль. Так как давление паров втекающим с кислородом в смесительной камере намного превышает их насыщенное давление при температуре 200°К, то они практически все конденсируются в мелкодисперсный аэрозоль. Тепловая мощность конденсации паров воды примерно равна Рс= д(Н20)0И20. 0с-тальная тепловая мощность выделяется в активной среде за счет тушения синглетного кислорода. По разнице (Р-Рс) можно найти на сколько падает содержание У=[02(1А)]/[02] в потоке АУ =(Р-Рс)/дАА/00/0,95, где яАа= 94,3 Дж/ммоль энергия 1 ммоль синглетного кислорода, О0 расход хлора через ГСК. Делитель 0,95 возникает из-за того, что утилизация хлора в ГСК составляет 95%. Так как начальное содержание 02(1А) известно, то содержание 02(1А) в активной среде будет равно У=У0-АУ. Инверсная заселенность определяется концентрацией атомов йода N и функцией ^ТУ) формуле (2). Зная температуру Т и содержание 02(1А) в активной среде можно рассчитать функцию 1^(Т,У) и определить концентрацию атомов йода N из формулы (2).

Результаты

В этой серии экспериментов были зафиксированы следующие параметры: расход хлора через ГСК Со=39,2 ммоль/с, расход вторичного азота 02=11 ммоль/с, расход молекулярного йода С12=0,8 ммоль/с, расход первичного азота 01=270 ммоль/с. Температура ра-

створа в ГСК изменялась от £= -20°С до -4°С, соответственно расход паров воды изменялся в диапазоне от 1 ммоль/с до 2,8 ммоль/с. Давление кислорода в ГСК и перед сопловым блоком при этом составило соответственно Р1=34 мм рт.ст., Р2=27 мм рт.ст.. Давление первичного азота в форкамере перед цилиндрическими соплами равнялось 1 атм. При изменении температуры раствора от £ = -20°С до -4°С давление в смесительной камере монотонно увеличивается от 8,2 мм рт.ст до 9,7 мм рт.ст.

Процесс формирования активной среды эжекторным сопловым блоком происходит следующим образом [3]. Картина газодинамических течений струй газовых потоков, вытекающих из эжекторного соплового блока, во многом схожа с истечением и взаимодействием нерасчетных сверхзвуковых струй

[10]. Струи первичного азота при выходе из цилиндрических сопел имеют скорость звука и давление примерно равное половине начального (0,5 атм), которое значительно превосходит давление в смесительной камере. Струи первичного азота расширяются и разгоняются до сверхзвуковых скоростей с числом Маха потока более 2. Это расширение сопровождается глубоким газодинамическим охлаждением газового потока. Одновременно происходит сжатие малонапорных дозвуковых струй кислорода и смеси азота с йодом и увеличение их скорости. На некотором расстоянии от соплового блока расширение азотного потока прекращается и нем давление сравнивается или даже становится меньше, чем в кислородном потоке [10]. Смесь же О2+^2+12 приобретает скорость звука. Затем происходит сжатие потока первичного азота, расширение и разгон до сверхзвуковых скоростей потока смеси О2+К2+12. При этом в потоке первичного азота возникают ударные волны и поднимается статическое давление, вслед за которым может вновь произойти расширение потока первичного азота и сжатие потока О2+К2+12. Последовательность сжатий и расширений потоков может неоднократно повториться и в конечном итоге приводит к выравниванию статических давлений в газовых потоках. Далее за счет тангенциальных разрывов в газодинамичес-

ких параметрах возникает турбулентное перемешивание потоков. Основные физико-химические процессы, приводящие к диссоциации молекулярного йода на атомы происходит в области до первого сжатия потока О2+К2+12. Здесь происходит и основное тепловыделение в результате протекания химических реакций и процессов тушения электронной энергии. После перемешивания потока О2+К2+12 с холодным потоком первичного азота концентрации всех реагирующих компонент резко уменьшаются и весь перемешанный поток приобретает некоторую температуру. При этом во время смешения с потоком холодного первичного азота происходит быстрая конденсация избыточных паров воды и остатков молекулярного йода. Далее смесь течет в смесительной камере со сверхзвуковой скоростью без изменения температуры и без заметного протекания химических реакций.

На рис.3, 4, 5 представлены зависимости наиболее важных параметров активной среды в смесительной камере усиления £(0) и температуры Т, абсолютной скорости и и числа Маха потока активной среды, инверсной заселенности АК и потерь синглетного кислорода АУ, рассчитанных по выделяемой тепловой мощности с учетом теплоты конденсации паров воды.

Абсолютная скорость активной среды слабо падает с ростом температуры раствора в ГСК или же слабо зависит от содержания паров воды в кислородном потоке. Число Маха потока падает значительно быстрее, т.к. увеличивается температура активной среды.

1,0

Рис. 3. Зависимость усиления активной среды и температуры активной среды от температуры раствора

■У

э

• т • ф • • •

" * А ж

_ А М

• и -

1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8

1,0

-6

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

Рис. 4. Зависимость абсолютной скорости и числа Маха активной среды от температуры раствора

Одной из причин роста температуры активной среды с ростом температуры раствора в ГСК является увеличение скорости тушения 02(1А) в области до первого сжатия потока

О2+К2+12. Действительно, 02(1А) передает энергию атому йода в быстрой реакции (3), а затем происходит тушение возбужденного йода парами воды 1(2Р1/2)+Н2О ® 1(2Р3/2)+Н2О с константой скорости КН2О = 2х10-12см-3/с

[11]. Другой причиной роста температуры активной среды является рост тепловой мощности, выделяемой при конденсации паров воды. Оценки показывают, что обе причины ведут примерно к одинаковому росту температуры в настоящих условиях. Рост температуры активной среды приводит также к росту пороговой доли 02(1А) У.

Тушение парами воды электронно-возбужденных состояний атомов и молекул не только ведет к росту температуры активной среды, но и негативно сказывается на процессе диссоциации молекулярного йода на атомы. Например, концентрация электронно-

возбужденного кислорода 02(1Е), играющего важную роль в процессе диссоциации молекулярного йода, обратно пропорциональна концентрации паров воды [12]. Зависимость концентрации атомов йода и функции А(Т,У) от температуры раствора представлена на рис.6. Видно, что концентрация атомов йода действительно уменьшается с ростом температуры раствора в ГСК. Падение концентрации атомов йода и уменьшение 1(Т,У) приводят к уменьшению плотности инверсии АК (рис.5). Падение же коэффициента усиления обусловлено не только уменьшением плотности инверсии, но и ростом доплеровской ширины WD и уменьшением значения Ф(Х=0). Таким образом, рост содержания паров воды сказывается на уменьшении коэффициента усиления активной среды по ряду причин: падением концентрации атомов йода, падением содержания 02(1А), ростом пороговой доли У и ростом доплеровской ширины WD.

С другой стороны видно, что при уменьшении температуры раствора или содержания паров воды потери 02(1А) не стремятся к нулю. Значит в области течения, где происходят активные физико-химические процессы диссоциации йода и тушения электронной энергии, помимо паров воды играют роль другие частицы. Наиболее сильным тушителем возбужденного атома йода являются молекулы йода и процесс тушения 1(2Р1/2)+12®1(2Р3/2)+12 идет с константой скорости К12=3,6х10-11см-3/с [13]. Так как расход молекулярного йода сравним с расходом паров воды, а константа скорости К12 более, чем

0,30 и 0,250,20-

0,05-

0,00

* 0,15-< ▲ А к А *

0,10- ▲ АК ■ АУ

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

т— --1- --1- -1-- -1- --1- -1-- -1- г

-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2

1, С

Рис. 5. Зависимость потерь 02(1А) и плотности инверсии от температуры раствора

1,С

Рис. 6. Зависимость концентрации атомов йода и функции /(Т, У) от температуры раствора

на порядок превосходит константу скорости КН2О, то становится понятным, что тушение электронной энергии 02(1А) и рост температуры через тушение возбужденного атома йода молекулами йода является более существенным фактором, чем тушение парами воды даже при самой высокой температуре раствора.

Выводы

Методом диодной лазерной спектроскопии высокого разрешения определены коэффициент усиления, плотность инверсии, абсолютная скорость и температура активной среды, формируемой эжекторным сопловым блоком. Определены основные закономерности изменения этих и других важных параметров активной среды в зависимости от температуры раствора в ГСК.

Рост температуры активной среды с ростом температуры раствора в ГСК или увеличением содержания паров воды в кислородном потоке вызван двумя причинами: ростом скорости дезактивации электронной энергии и конденсацией паров воды. В условиях эксперимента с эжекторным сопловым блоком вклад обоих причин в рост температуры сравним. Абсолютная скорость потока при этом изменяется слабо и в условиях эксперимента достигает значения примерно 580 м/с, а число Маха потока уменьшается. Инверсная населенность падает с ростом содержания паров воды из-за падения содержания 02(1А), пороговой доли У и уменьшения эффективности диссоциации молекулярного йода. Коэффициент усиления дополнительно уменьшается вследствие роста ширины доплеровской составляющей в спектре усиления. Тем не менее, основной вклад в потери 02(1А) и нагрев активной среды вносит тушение возбужденного атома йода молекулярным йодом, а не парами воды.

При температуре раствора в ГСК -20°С коэффициент усиления достигает значения более 7х10-3см-1, а потери 02(1А) составляют

0,20. При температуре -4°С коэффициент усиления уменьшается до 5х10-3см-1, а потери 02(1А) увеличиваются до 0,22. Таким образом, потенциально извлекаемая энергия в излучение кислородно-йодного лазера, сла-

бо изменяется с ростом температуры раствора. Однако, так как эффективность преобразования запасенной энергии в излучение в оптических резонаторах существенно определяется величиной коэффициента усиления, то уменьшение коэффициента усиления с ростом температуры раствора в ГСК может значительно уменьшить полную энергетическую эффективность лазера.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Европейского офиса по аэрокосмическим исследованиям и разработкам (EOARD) (Проект №007016) и административной поддержке Международного научнотехнического центра (грант 1862Р).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. McDermott W.E., Pchelkin N.R., BenardD.J., BousekR.R. An electronic transition chemical laser // Appl.Phys.Lett. Vol.32. 1978.

2. Heidner R.F., Gardner C.E., Segal G.I., El-Sayed T.M. Chain-reaction mechanism for I2 dissociation in the O2('A) -I atom laser // J.Phys.Chem. Vol.87. 1983.

3. Загидуллин M.B., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов Н.А., Хэйгер Г.Д., Мадден ТДж. Эффективный химический кислородно-йодный лазер с высоким полным давлением активной среды // Квантовая электроника. Том 31. 2001.

4. Tate R.F. Hunt B.S., Helms C.A., Truesdell K.A., Hager G.D. Spatial gain measurements in a chemical oxygen iodine laser (COIL) // IEEE J.Quantum Electronics. Vol.31. 1995.

5. Henshow T.L., Madden T.J., Herbelin J.M., Manke G. C., Anderson B. T., Tate R.F., Hager G.D. Measurements of gain on the 1.315 mmm transition of atomic iodine produced from the NCl(a1DD) energy transfer laser // SPIE Proceedings. Vol.3612. 1999.

6. Davis S.J., Kessler W.J., Bachmann M. Collisional broadening of absorption lines in water and atomic iodine relevant to COIL diagnostics // SPIE Proceedings. Vol.3612. 1999.

7. Загидуллин M.B., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов Н.А. 1,4 кВт сверхзвуковой кислородно-йодный лазер с длиной усиления 5 см и с разбавлением активной

среды азотом // Квантовая электроника. Том 30. 2000.

8. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979.

9. Furman D., Barmashenko B.D., Rosenwaks

S. Diode laser based absorbtion spectroscopy diagnostics of a jet-type O2('A) generator for chemical oxygen-iodine lasers // IEEE J.Quantum Electronics. Vol.4. 1999.

10. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных

струй. М.: Наука, 1984.

11. Burde D.H., McFarlane R.A. Collisional quenching of excited iodine atoms I(5p5 2P1/2) by selected molecules // J.Chem.Phys. Vol.64. 1976.

12. Aviles R.G., Muller D.F., Houston P.L. Quenching of laser-excited O2(b1 S+g ) by CO2, H2O and I2 // Appl.Phys.Lett. Vol.37. 1980.

13. Burrows M.D. I*(52P1/2) quenching kinetics // J.Chem.Phys. Vol.81. 1984.

DIAGNOSTIC OF THE ACTIVE MEDIUM OF OXYGEN-IODINE LASER BY A DIODE LASER SPECTROSCOPY METHOD

© 2001 V.D. Nikolaev1, M.V. Zagidullin1, M.I. Svistun1,

B.T. Anderson2, R.F. Tate2, G.D. Hager2

1 Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences,

2 US Air Force Research Laboratories, Albuquerque, USA

The high resolution diode laser spectroscopy method was used to measure small signal gain, temperature and absolute velocity of the supersonic active medium of the oxygen-iodine laser generated by the ej ector nozzle bank. Higher temperature of the base hydrogen peroxide solution (BHP) in the singlet oxygen generator results in decrease of the gain, increase of singlet oxygen losses, increase of heat release and growth of active medium temperature. Simultaneously the absolute flow velocity changes weakly and flow Mach number decreases. Inversion population and iodine efficiency drop down with increase of the water vapor fraction. The value of gain decrease additionally as a result of the growth of Doppler width of the gain spectral line. Nevertheless the main reason of O2(1D) losses and heating of the active medium is due to the quenching of the exited iodine atom by molecular iodine rather than water vapor. The gain 7x10-3cm-1 and O2(1D) losses 0,2 have been achieved for the BHP temperature in SOG -20°C. The gain decreases up to 5x10-3cm-1 and O2('A) losses increases up to 0,22 for the BHP temperature -4°C. The laser extractable energy slowly depends on the BHP temperature. But the decrease of the gain with increase of the solution temperature can result in decrease of the chemical efficiency of the laser.