（光学专业论文）空间重叠双频tea+co2激光与多光子离解分离硼的同位素.pdf

阳川天学硕 学位论t 摘要 空间重叠双频t e ac o ：激光与多光子 离解分离硼的同位素 专业：光学 研究生；张力军指导老师：李育德 摘要 双频红外多光子离解分离同位素是一个热门课题，有着广阔的酌景，虽然 目前真正应用于实际生产的并不多。t e ac 0 2 激光器因其独特的特点和低廉的维 护费用，对于红外多光子分离同位素来说是一种很理想的光源，在单频红外多 光子离解分离同位素的实验中取得了较高的分离系数。本文回顾了国内外t e a c 如激光器的发展历程，并介绍了它在工业、军事、医疗和光与物质的相互作用 尤其是在红外多光子分离同位素中的应用。进而回顾了多光子离解分离同位素 的发展。 为了进行双频多光子离解分离硼同位素的实验，我们运用一种新型的具有 同空间特性的双波长可调谐t e ac 0 2 激光器进行研究。放电室长约2 m ，放电室 的一端安装一个反射率为8 0 9 6 的锗镜作为输出镜，在放电室的另一端安装两个最 大衍射效率为9 5 的闪耀光栅，两光栅一前一后放置，离放电室较远的光栅的中 轴线与腔轴重合，另一个偏离腔轴，两光栅砸在空间上部分重叠。 把两闪耀光柳 等效为相应的平面镜，组成水平小角度失调的平行平面镜腔。 通过菲涅耳一基尔霍夫( f r e s n e l k i r c h o f f ) 衍射积分方程，建立了描述新型激光 器腔内光场的数学模型。在竖直方向上为个一维平形平面腔，光场接近高斯 分布。结果表明两输出波长在空间上部分重叠，能量比和重叠性与两输出波长 差和距放电室较近的光栅位置有关。损耗主要由于平行失调引起的损耗较大， 输出能量不高。同时研究分析了在锗镜厚度不均的情况下的输出，这对于红外 多光子离解分离同位索的利弊还有待实验。 分析了分离实验采用的材料一b e l 。的分子能级和b c l 。的多光子离解过程。然 f 四川大学颂十节化论文 脯要 后采用1 0u 1 1 1 带p ( 3 4 ) 和p ( 3 6 ) 双频照射含有b c i 。，纯o ：，纯n ：和空气与b c i ，和 纯0 z 的反应池，生成物( 0 ，) 中电的浓缩系数最高分别达到2 0 5 5 和1 8 。 又结合“：赶9 - t ”的特点，分析了以乙炔( h c ；- c t l ) 和三氯化硼( b c i 。) 为原料 合成的2 _ 氧烯乙基二氯化硼作为分离材料的优势。并在双频多光子离解分离硼 的实验中得到了验证。 关键词：双频t e a c o ：激光器，双频c 观激光，多光子离解，激光分离同位素， 硼一1 0 ，c l c h ：c h b c l ： n 明川大学硕十学位论文 摘要 s a m es p a c ed u a l - w a v e l e n g t ht e ac 0 2l a s e ra n dm u l t i p h o t o nd i s s o c i a t i o na n d i s o t o p es e p a r a t i o no fb o r o n m a j o r ：o p t i c s g r a d u a t e ：z h a n gl i d u n d i r e c t o r ：l iy u - d e a b s t r a c t d u a l - w a v e l e n g t hi n f r a r e dm u l t i p h o t o ni s o t o p es e p a r a t i o ni sat o p i c a lt o p i cn o w , h a v i n g 、v i d ef o r e g r o u n d , n o t w i t h s t a n d i n gh a sn o t 、】l ，i d ea p p l i c a t i o ni nr e a lp r o d u c t i o n f o rt h em o m e n ti nw o r da n dd e e d b e c a u s eo ft h e o r yu n i q u ep o i n t sa n dc h e a p m a i n t e n a n c ec o s t , t e ac 0 2l a s e ri sa v e r yi d e a li l l u m i n a n tf o ri n f r a r e dm u l t i p h o t o n i s o t o p es e p a r a t i o n , h a sg o t t e nh i g hs e p a r a t i o nf a c t o r i n s i n g l e w a v e l e n g t h m u l t i p h o t o ni s o t o p es e p a r a t i o ne x p e r i n l e l l li nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f t e a ( t r a n s v e r s e l ye x c i t e da t m o s p h e r i cp r e s s u r e ) c 0 2l a s e ri sr e v i e w e d , a n di t s a p p l i c a t i o ni nm e d i c a l t r e a t m e n t , i n d u s t r yp r o c e s s i n ga n di n t e r a c t i o np h o t o n sw i t h m a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yi ni n f r a r e dm u l t i p h o t o ni s o t o p es e p a r a t i o n i nt u r nr a i s e st h e d e v e l o p m e n to f i n f r a r e dm u l t i p h o t o ni s o t o p es e p a r a t i o ni sr e v i e w e d w e 璐eak i n do fg a l n es p a c ed u a l - w a v e l e n g t ht u a b l et e ac 0 2l a s e r i nt h e e x p e r i m e n to f d u a l w a v e l e n g t hi n f r a r e dm u l t i p h o t o ni s o t o p es e p a r a t i o n t h el e n g t ho f g r a t i n g - p l a n ec a v i t yi sa b o u t2m e t e r s t h el e n g t ho fd i s c h a r g ec h a m b e ri sa b o u t2 m e t e r s am i r r o rw h i c h sr e f l e c t i v i t yi s8 0 i sp l a c e di no n ee n do ft h ec h a m b e ra s o u t g o i n gm i r r o r , a n dt w og l a r er a s t e r sw h i c h sm a xd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya r c9 5 a r e p l a c e di nt h eo t h e re n d n et w or a s t e r sa r ep a l c e di nt a n d e m a x l ew i r eo ft h eo n e f a r e rt oc h a m b e ri si nt h ea x i so fc a v i t ya n dt h eo t h e ro n ei sn o t t h e i rc o v 粥a r e o v e r l a p e di ns a p c e n ”t w or a s t e r sc a nb ed e a l tw i t ha st w os p e c i a lm i r r o r s ap a r a l l e lp l a n e s c a v 畸w i t hs m a l la n g l e sm a l a d j u s t e dc a i lb ec o n s t i t u t i v e d m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c h d e s c r i p so p t i c a lf i e l di nt h ec a v i t yo ft h en e ws t y l el a s e rc a l lb eb u i kb yf r e s n e l k i r c h o f fd i f f r a c t i o n i n t e g r a le q u a t i o n t h el a s e rc a i v t yc a l lb er e g a r d e d a so n e 1 1 1 四川大学硕士学位论文 摘要 d e m e u s i o ng a u s sc a v i t yo nt h eu p r i g h td i r e c t i o n i t ss h o w nt h a tt h ed u a l w a v e l e n g t h i no u t p u to v e r l a pw i t he a c ho t h e ri np a r t i a l l yi ns p a c e e n e r g yr a t i oa n do v e r l a p p i n g q u a l i t yr e l a t ed i f f e r e n c eo ft w oo u t p u tw a v e l e n g t ha n dp o s i t i o no fr a s t e rc l o s e rt o c h a m b e r a c r o s s i n gc a l c u l a t i o no fw a s t a g e ，f o u n dt h a to u t p u te n e r g yi s n o th i 曲 m o s t l yb e c a u s ew a s t a g eo fp a r a l l e l i s mm a l a d j u s t m e n ti sb i g a tt h es a i d _ et i m e ，t h e o u t p u tw h e nt h et h i c k n e s so f t h eg e r m a n i u mm i r r o ri sn o ts y m m e t r i c a li sr e s e a r c h e d a n dw cp l a nt od oe x p e r i m e n tt of i n di t sh a r mo rg o o df o ri n f r a r e dm u l t i p h o t o n i s o t o p es e p a r a t i o n m o l e c u l a re n e r g yl e v e lo fb c l 3w h i c hi ss t u f fi ne x p e r i m e n ta n di t sp h o t o n s d i s s o c i a t i o np r o c e s sd i s s o c i a t i o np r o c e s sa r ea n a l y s e d t h e nw eu s e d t w ob r a n c h e s p ( 3 4 ) a n dp ( 3 6 ) i nl o g ms t r a pt oi r r a d i a t et h er e a c t i v ep o o lw h i c hc o n t a i n e db c l 3 ， p u r e0 2 ，p u r en 2a n da i ro rb c ba n dp u r e0 2 t h ee n r i c h m e n tc o e f f i c i e n to f1 0 b r e a c h e d2 0 5 5a n d1 8 0i nt h ep r o d u c tb 2 0 3 ) t h e nw ea n a l y s e dt h ed o m i n a n c eo f u s i n gc i - - - c h - - c h b c hw h i c h i sc o m p o s e db yh c = - - c ha n db c l 3w h i rc h a r a c t e r i s t i c o f m a c r o m o l e c u l e ”w eh a v e a p p r o v e d i ti nt h e d u a l - w a v e l e n g t h i n f r a r e d m u l t i p h o t o ni s o t o p es e p a r a t i o ne x p e r i m e n t k e yw o r d s ：d u a l - w a v e l e n g t ht e ac 0 2l a s e r , o v e r l a pi nt h es p a c e ，m u l t i p h o t o n d i s s o c i a t i o n ，i s o t o p es e p a r a t i o nb yl a s e r , b o r o n - - 1 0 ，c l c h = c h b c l 2 四川大学硕士学位论文第一牵绪论 第一章绪论 1 1t e ac o 。激光发展概况 1 1 1 横向激励大气压c 0 。激光器的特点 t e ac 0 2 激光器自问世以来“1 ，因应用前景广泛而得到迅速的发展。横向激 励大气压( t e a ：t r a n s v e r s e l ye x c i t e da t m o s p h e r i cp r e s s u r e ) c 0 2 激光器放 电体积大气压高，除了具有一般c o ：激光器的共同特点外，还具有一些优异的 特性： ( 1 ) 输出能量大。 ( 2 ) 激光器输出能量与气压成正比，瞬时输出功率与气压的平方成正比嘲。 在一定的电场强度下，激光器的体能量密度正比于单位体积内的激活粒子数， 从而也正比于工作气体的压力：上能级寿命与气压成反比，因此输出功率随气压 平方而增加，而激光脉冲宽度与压力成反比。 ( 3 ) 随着工作气压的升高，激光输出谱线的压力加宽增大，使激光器在一 定的波长范围内可调谐卜”。在压强低于1 0 x1 3 3 3 p a 时，谱线加宽主要取决于 多普勒加宽；压强超过l o x1 3 3 3 p a 时，压力加宽是主要的。在高气压( 约l o a t m ) 时，由于压力加宽效应会引起整个转动谱线增益的重迭，结果出现准连续增益 带宽，可导致超短脉冲的产生和频率连续可调谐输出”1 。 ( 4 ) 由于高气压”卅，故无需复杂的密封和高真空设备就可实现激光输出。 t e ac o 。激光器的这些特点，使其在很多领域有独特的作用，尤其在同位素 的多原子分子的红外多光子共振光分解法中发挥着重要的作用。 1 1 2t e ac o ：激光器的发展状况 自从1 9 6 4 年美国的p a t e l 槲研制成第一台电激发c 0 2 激光器以来，近几十 年来，这种激光器己成为用处最广、市场最大、研究最多的激光器之一。横向 激励大气压( t e a ：t r a n s v e r s e l ye x c i t e da t m o s p h e r i cp r e s s u r e ) c 晚激光器 是c 0 2 气体激光器的一种，简称t e ac 0 2 激光器，它的出现，开创了一些新的应 用领域。1 9 6 9 年底至1 9 7 0 年初，法国的r d u m a n c h i n 等人和加拿大的a j b e a u l i e u 等人，分别报导了t e a c o ：激光器的运转。第一台t e a c o ：激光器1 9 7 0 年由b e a u l i e u 首先成功实现“1 ，通过1 5 0 个均匀分布的电阻针，实现与阴极之 间的横向放电，输出的脉冲能量为0 1 5 j ，峰值功率为0 5 m w 。随后，世界各 国进行了大量的研究。t e ac 0 2 激光器的研制成功，不仅出现了一种性能优越的 l 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 新型气体激光器，而且还推动了人们对于气体激光器原理、激光器激励技术、 气体放电物理过程以及预电离技术的探索进程。 1 9 7 1 年，加拿大b e a u l i e u “”等人首次实现了高重复频率t e ac 0 2 激光输出， 重复频率1 2 0 0 h z ，平均功率约6 0 0 w ，在该器件中，采用风机系统使气体高速循 环和冷却，由于气体分解恶化等原因，激光器正常输出只持续了几秒钟。1 9 7 2 年，法国的d u m a n c h i n 1 等人在激活体积为1 7 5 l 的t e ac o ：激光器中获得了重 复频率l o o h z ，平均输出功率2 k w 的激光输出。激光器采用触发放电的组合阴极 结构，单位体积的输出能量为i b j l 。实验装置中热交换器的热交换能力为 9 0 k w 。 1 9 8 0 年，加拿大的p a c e “2 1 等人研制成单脉冲单模输出8 0 m j ，重复频率l o o h z 的t e a c 0 2 激光器。激光器的激励体积为l l x 3 0 c m ，混合气体由7 0 的h e ，1 5 的n 。和1 5 的c 0 2 组成。激光器的稳定工作寿命只有几秒钟的时间。该激光器用 于激光雷达系统探测和追踪高速运动的目标。与此同时，前苏联的b a r a n o v 【i ” 等人在l o o m s 的气流速度下得到了平均输出功率1 o k w 、脉冲重复频率7 5 0 h z 的高功率的t e ac o 。激光器。激光器由两套相同的模块串连而成，总放电体积为 0 8 l ，在c 0 2 ：n 2 ：h e = 1 ：l ：5 激光混合气中获得的单脉冲输出能量为1 6 j ， 而在无n 。的情况下单脉冲输出能量仅为4 5 j 。该激光器调谐后输出1 2 k w 用于 泵浦c l 激光器。1 9 8 4 年，美国的b r o w n 【i ”研制成功用于光化学研究的高重复率 t e ac 0 2 激光器，激光器采用火花针列阵紫外预电离方式，放电区尺寸l l 5 0 c m ，激光器最高重复频率达1 0 0 0 h z ，相应的输出平均功率为2 5 0 w ，可以在重 复频率4 0 0 h z 的条件下稳定工作，激光器的放电体积为l x l x5 0 c m 3 时，混合气 体配比为c o , ：n 2 ：h e = l ：1 ：8 ，气压为1 0 1 3 a r m ，但在1 0 0 0 h z 的高重复率 下，激光器的无弧连续工作时间仅为5 秒( 在重复率4 0 0 h z 时，可达1 5 分钟以 上) 。 从八十年代后期开始，在高压脉冲开关和快脉冲激励方面取得了一系列富 有重要意义的进展的前提下，t e ac 0 2 激光器有了进一步的发展，1 9 8 5 年，日本 的s h i m a d a 等人“”首次研制出采用新型的全固体激励电路( a s s e ：a 1 l s o l i d s t a te x c i t e r ) 的t e ac o ：激光器，激光器输出脉冲能量为2 4 0 m j ，脉冲 重复率为i h z 。随后，英国h e r i o t w a t t 大学的s y l v a n 等人“、南非r a n d a f f r i c a a n s 大学的y o nb e r g m a n n 等人“”以及日本理化研究所的田中秀和、绿川 2 四川大学硕士学位论文第一章绪论 克美等人先后报道了a s s eh r r ( h i g hr e p e t i t i o nr a t e ) t e ac o ：激光器的研究 成果。其中南非y o nb e r g m a n n 等人研制的a s s eh r rt e ac 0 2 激光器输出平均功 率为2 5 k w ，脉冲重复率2 0 0 0 h z 。日本的田中秀和、绿川克美等人在1 9 9 3 年 研制出的离功率t e ac o 。激光器工作气压l a t m ，注入能量7 8 2 j ，此时，可得 到最大输出平均功率为4 6 k w ，激光器输出单脉冲能量8 3 j ，脉冲重复率5 5 0 h z 。 1 9 9 3 年，日本的h a t a n a k a l “”等人采用新型的全固体激励电路，研制出用 于激光同位素分离的高功率高重复频率，t e ac 0 2 激光器，输出平均功率为4 6 k w 激光器比注入能量为1 1 6 j ( l - a t m ) ，比输出能量为1 5 5 j ( l - a t m ) 。风机系统 提供的气流速度为7 2 m s ，气体清洗系数为4 4 0 。1 9 9 4 年，德国的s c h w e i z e r “” 等人研制成功平均功率2 k w 的实用化t e ac 0 2 激光器，激光器混合气体配比为 c 0 2 ：n 2 ：h e = 1 ：1 ：8 ，单脉冲输出能量9 j 。3 0 m s 的气流速度可以使激光器 工作的最高重复频率达到3 3 0 h z 。激光器输出为“平顶型”光束，光束质量为 1 7 倍衍射极限。日本的o k i a 恻等人在同一年采用脉冲形成网络控制激光器放电， 激光器工作的最高重复频率为5 0 0 h z ，在4 5 0 h z 重复频率放电的条件下获得了 3 6 8 w 的平均功率输出，输出功率密度为1 0x1 0 唧c 酽。混合气体配比为，c o z ： n 。：h e = l ：1 2 5 ：8 ，气压为2 0 k p a 。单脉冲输出能量为1 1 j ，输出光束脉宽为 1 6 “s 。 2 0 0 2 年日本的s a k u q a w a t 等人o ”研制的利用全固态脉冲激励电路的t e a c o ：激光振荡器，激光器转换效率为1 2 6 ，此时激光器最大输出能量为3 2 j 。 2 0 0 3 年印度的s i n g a l v p 等人嘲研制的电子束控制放电t e ac o 。激光器能够输 出的单脉冲最大能量为7 5 j 。 与此同时，t e ac o ：激光器的可调谐性能也在不断发展。 1 9 7 7 年，h o l l y 和a i k e n 报道了第一台快速调谐t e ac 0 2 激光器，该激光 器采用八个光栅和一个电控转镜机构实现快速调谐，将八个光栅预先调整到所 需波长对应的角度位置，采用电流计控制反射镜的偏转实现调谐激光输出。由 于该激光器体积庞大，对使用环境要求较苛刻。 1 9 8 2 年，f a x v o g 和m o c k e r 研制出采取旋转多面体光栅法进行调谐的快调 谐t e ac o ：激光器饼3 。多面体光栅由磁滞同步电机旋转，通过精确地控制激光器 的触发时刻来选择光栅所处角度的不同，利用多面体光栅的每一刻面，选出单 一波长激光输出。这种方法选支速度快，选支精度高，结构简单，但由于采用 四川大学硕十学位论文 第一章绪论 的多面体光栅，加工困难，价格昂贵，这在很大程度上限制了它的应用。 1 9 8 6 年，f o x 和j e f f r e y 提出旋转多面体光栅的改进方法，用旋转八面体 棱镜+ 固定光栅方法，替代旋转多面体光栅拉5 1 。由于调谐机构转动惯量的降低， 系统重复率大大地提高。这种系统的热稳定性、振动稳定性较高，是目前较为 理想的调谐机构。实验选出了5 1 支谱线，激光器重复率可达到4 0 0 h z 。 1 9 8 7 年，苏联b o b r o v s k ii 等人采用掠入射光栅法连续调谐t e ac 0 2 激光器 嘲，光栅的掠入射角8 0 0 ，调谐得到1 0 r ( 1 0 ) 1 0 r ( 3 4 ) ，l o p ( 1 0 ) l o p ( 3 6 ) 谱线， 实验测量了7 5 ，1 0 0 和1 5 0 条m m 等几种不同光栅常数的调谐情况，确定最佳激 光输出的光栅常数。 f o x 等人在1 9 8 9 年报道了对激光器进行调谐的几种方法激光调谐技术可 分为o p o 光参量振荡技术和光栅调谐技术，光栅技术应用的更为广泛。该报道 较详细的分析了步进电机驱动光栅的系统设计应注意的问题，虽然没有进行实 验研究，但为以后的可调谐技术的研究作了铺垫。 1 9 9 1 年，意大利s m a r c h e t t i 等人研制了高气压连续调谐小型t e ac o , 激光 器。由差分螺纹( 分辨率0 0 1 5 c m 。) 转动光栅实现调谐。激光器气压1 m p a ，脉 冲重复率i o h z ，激光器一级输出能量约4 0 0 n l j ，光束束腰半径3 m 。 2 0 0 0 年俄罗斯的a i k a r a p u z i k o v 等人酬关于用于d i a l 系统的t e ac o , 激光器进行了实验研究，在激励电压为4 0 k v ，气体混合比为c 0 2 ：n 2 = l ：i + 5 h 2 ， 工作气压为0 8 a t m 的条件下，利用一块衍射光栅和一块输出平面镜实现调谐， 激光器输出了8 5 条谱线，包括9 r ( 4 ) 9 r ( 4 4 ) ，9 p ( 6 ) 9 p ( 4 6 ) ，i o r ( 4 ) 1 0 r ( 4 2 ) ，l o p ( 4 ) l o p ( 4 8 ) ，最强的谱线输出能量为8 8 j ，最弱的谱线输出能 量为0 5 j ，其峰值输出功率约为1 0 0 , 唧。 国内开展t e ac o ：激光器的研究工作也在不断地进行，但是和国际发展水平 还是存在差距。国内上海光机所1 9 7 3 年1 9 7 4 年实现了紫外预电离t e ac 0 2 激 光器的成功运行，输出能量达到4 0 j 脉冲汹1 。1 9 7 4 年1 9 7 5 年实现了电子束控 制放电的t e ac o ：激光器的成功运行，输出能量达到1 3 0 1 7 0 j 脉冲o “。 在1 9 8 3 年，上海光机所吴铁强等人采取普通光栅腔内插入高温c 0 2 吸收池 的方法，对序列带谱线选支。放电管中掺杂少量h 。和x e 气，实验得到6 5 条序 列带谱线呲1 。1 9 8 4 年，哈工大马祖光等人开展了长腔c wc 0 2 激光器的选支研究 伽，实验得到零级耦合输出1 0 5 条谱线。同年，长春光机所林太基等人研究了 4 四川大学硕士学何论文 第一章 绪论 混合式t e a 激光器的光栅选频m 1 。混合式激光器由单纵模连续振荡级和两级t e a 放大器组成。实验结果为，零级输出8 l 条谱线，其中强线2 0 0 m j ，弱线3 0 m 3 ， 该装置十分庞大。后来，林太基等又以该单纵模t e ac 晚激光系统为泵源，获得 1 6pi l l 波长仲氢拉曼激光。 1 9 9 0 年，上海光机所庄国良等研制的g w 大功率t e ac o ：激光系统，使用双 普克尔盒电光开关( g a a s 晶体作为电光开关晶体) 从混合型c o , 激光振荡器中 射出的激光窄脉冲通过一台三节双光程t e ac 0 2 激光前置放大器和一台双节t e a c 晚激光前置放大器，一台大口径t 卧c 0 2 激光放大器，最后通过一台电子束控 制的c 0 2 激光放大器放大后输出，输出功率最高达到3 2 1 0 + 瓦，脉宽4 n s 。同 年，西南物理所研制了小型陶瓷t e a c o ：激光器渊实验研究了激光器特性，激光 输出能量为2 0 m j 。1 9 9 1 年，南开大学t a ng u a n r o n g 等人采用由m c s 一5 1 单片机 和伺服机构驱动步进电机共同控制光栅转动的方案。此方案利用螺旋测微器 装置作为光栅的传动机构，光栅角度分辨率可达到1 4 0 0 0 r a d ，满足调谐需要， 但调谐速度不高，在实验结果中只给出1 0 5um 1 0 7 5 肛m 之间的几条谱线。 中科院电子所和四川大学也从事多年t e ac o 。激光器研究工作。 1 2t e a o ：激光器的应用 1 2 1t e ac o ：激光器在各个领域的应用 在医疗上，t e ac o , 激光器已被广泛应用，它不仅是医学研究的有力工具， 而且在疾病诊断和治疗上获得很好的效果。其波长在1 0 6i lm 附近，与生物组 织作用时，几乎全被生物组织在2 0 0pm 深度范围所吸收，热扩散少，并且短脉 冲脉宽可以短达1 5 0 0 0 0 秒，同时在整个脉冲期间保持极高的能量，可在极短 的时间内气化靶组织，能有效避免对周围组织造成的灼伤，从而能在皮肤病、 空腔治疗，微观手术以及医学美容中实现理想的治疗效果”。 在工业上，t e ac 0 2 激光器的应用不像连续波c 0 2 激光器那样深广，但在激 光打标等方面长期发挥着重要作用。 在军事上，t e ac 0 2 激光器输出脉冲在l o 6 “m 附近，正好处于大气窗口， 是目前运行在8 - 1 2 p 1 1 1 大气窗口唯一技术成熟的且人眼安全的激光器，且功率 高，能量转换效率高，相干性好，线宽窄，谱线丰富，光束光学质量好，所以 广泛作为激光雷达、激光测距仪的光源。值得一提的是，随着人们对于大气环 境和污染的重视，近年来差分吸收雷达发展得很快，而可调谐t e ac o 。激光器因 四川大学硕士学位论文第一章绪论 其特点而成为差分吸收雷达最理想的光源，为大气环境监测做出巨大贡献。 t e ac 0 2 激光器另外重要的作用就是用于光与物质相互作用、光化学、激光 分离同位素等。国内t e a c o 。激光的研究大部直接用于此，如复旦大学用t e a c 0 2 激光l o p ( 2 4 ) 支线脉冲输出诱导u f 6 红外光敏反应，用可调谐t e ac 0 2 激光分 离氘同位素。用可调谐t e ac 0 2 激光器淀积硅膜的研究。 1 2 2 可调谐t e ac o ：激光器在分离同位素中的应用 1 9 2 2 年h h a r t l e y 等人首次尝试进行光化学分离同位素的试验啪1 ，而第一 个成功的实验是十年后由c u h n 和m a r t i n 完成的“】。1 9 6 5 年，r o b i e u x 和a u c l a i r 在u f 6 分子的两步光电离的专利文献中，首次提出了激光分离同位素的建议啪1 。 1 9 6 6 年，t i f f a n y ，m o o s 和s c h a w l o w 用激光首次进行了光化学同位素分离的尝 试“。1 9 7 0 年，m a y e r ，k w o k ，g r o s s 和s p e n c e r 完成了用振动光化学进行激 光同位素分离的首次实验1 。 与传统的分离方法相比，激光同位素分离方法具有很多潜在的优点： ( 1 ) 分离系数高。( 2 ) 低能耗。( 3 ) 通用性强。( 4 ) 可在不触及其他同位 素成分的条件下处理目标同位素。( 5 ) 污染小。( 6 ) 启动时间短。 虽然有这些优点，但是也应该看到并不是所有在实验室成功实现的分离法 都可以成为发展成为工业规模生产的。有工业应用潜力的分离方法至少要满足 材料的收集与装置的制造和运行要简单、经济、可靠和稳定。 这里需要单独说明的是可调谐t e ac o ：激光器在分离同位素中的应用，具体 地说，其主要应用于多原子分子的红外多光子共振光分解法( m o l e c u l el a s e r i s o t o p es e p a r a t i o n ，简称m l i s ) 该法亦称为分子激光同位素分离法，这是一 种单分子光化学反应过程。分子的吸收光谱比较宽，具有分离能级和准连续能 级交叉的分子，吸收一个光子不能获得好的选择性。所以，一般利用分离能级 吸收谱线的窄宽度，吸收几个光子获得一定的选择性，在进一步吸收多个光子 达到分子离解，这称为无碰撞多光子离解。被离解的分子形成新的产物，经化 学处理后使不同的同位素分子分离开。这种方法是多原子分子进行同位素分离 的理想方法。为保持初始的选择性，被选择激发的分子受激速率必须高于激发 转移和热激发速率。 比较有代表性的是可调谐t e a c 0 2 激光器在分离硼的同位素中的应用。t e a c o ： 激光器诞生不久，1 9 7 4 年r v a m b a r t z u m i a n “”就提出用强红外激光选择性多光 6 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 子离解分离同位素的方法，并用脉冲c 如激光( 9 3 2 8 9 c m “) 照射b c l s 0 2 混合物， 照射5 7 6 0 0 次，o b 浓缩系数为8 。6 个月后，j k l y m a n 用 4 3 的方法做了作了 b c l ，h ：的分离实验，以激光( 9 4 4 1 8c m l ) 照射2 0 0 0 次，分离系数1 1 8 。自 此以后，红外激光分离硼同位素的研究就未停止过，特别是二十世纪9 0 年代以 来，研究较为活跃，呈发展态势。1 9 8 1 年，前苏联k a r l o v n v 等1 在依靠”b c i 。 和”b c l 。间的强烈的v - v 交换之条件下实现了非线性激光分离，”b c i 。得到浓缩， 浓缩系数为1 5 7 0 2 ，与理论估计一致。7 0 年代初美国的洛斯阿拉莫斯实验 室亦用高功率c 0 2 激光实行多光子离解s f 来分离硫的同位素，进而开展了用 1 6 激光选择性离解u r 以实现分离铀同位素的研究。1 9 8 5 年美国国家能源部 决定对采用u r 为工作介质的红外多光子离解分离铀同位素和以铀金属蒸气为 工作介质的三步光电离分离铀同位素两种方法进行技术论证，并于1 9 8 5 年6 月 5 日正式宣布原子激光光电离法为美国第三代铀同位素分离方法，并投资进一步 开展研究工作，以取代扩散法。 我国关于激光分离硼同位素的工作主要集中在1 9 7 8 年至1 9 8 1 年期间。1 9 7 8 年1 1 月，中国科学院物理所、盐湖研究所同位素研究小组用t e a c 0 2 激光p ( 1 6 ) 、 p ( 1 8 ) 、0 8 j 、1 0 9 1 | c m 2 ，辐照( b c i 。+ 空气) 约3 8 0 0 次，浓缩系数为2 3 。1 9 7 8 年2 月，四川大学激光物理与激光化学研究室用t e a c o 。激光器自然振荡线1 - - l o j ，l o o n s ，辐照( b c l ，+ 空气) 约2 0 7 9 次，浓缩系数为1 4 2 。1 9 7 8 年1 2 月， 中国科技大学化学物理教研室，用t e a c o 。激光p ( 2 0 ) 2 j 、一l o on s 、1 0 w c m 2 ， 辐照( b c l 。+ h 2 ) ，获浓缩系数为1 5 6 。1 9 8 1 年8 月，中国科学院物理研究所， 用t e a c 0 2 激光p ( 2 6 ) i j 、辐照( b c l 3 + 空气) 9 0 0 0 次，获浓缩系数为5 8 。1 9 8 1 年，中国科学院物理研究所，用c 0 2 激光l o p ( 3 0 ) 线、辐照( b c i ，+ 空气) ，获 浓缩系数为6 2 。用1 0 r ( 2 6 ) 线、获浓缩系数为1 8 。 目前，多原子分子的红外多光子共振光分解法( m o l e c u l el a s e ri s o t o p e s e p a r a t i o n ，简称m l i s ) 具有良好的前景，而它的发展很大程度上需要性能良 好的可调谐t e ac 0 2 激光器的支持。 1 3 双频激发多光子离解分离同位素及空间重叠双频可调谐t e a0 0 z 激光器 双频激光多光子分离同位素以较早被人们研究，分离的阈值能量密度将比 单频法有数量级的下降1 。特别是采用与单频法“红移”很接近的双频率波的 四川大学硕七学位论文第一章绪论 多光子离解能够明显降低阈值能量密度，并且提高选择性，以取得好的分离效 果。输出的双波长激光脉冲在空间上和时日j 上部有良好的重叠性，是决定双频 激光多光予分离同位素效果的主要因素。 已见报道的双波长可调谐激光器主要有以下几种方案： ( 1 ) 将两台可调谐t e ac 0 2 激光器同步运行并且将输出光束叠加，如图1 1 ( a ) 所示。但是这需要使用两台激光器，因此装置较复杂，成本昂贵，而且不 易做到两台激光器精确同步放电，光路调节技术要求很高m 1 。 + 五 。一 一 ：走 o 图1 1 ( a ) 两台t e ac o z 激光器同步运行，输出双波长 图1 1 ( b ) 在一台激光器的完全相同空间输出双波长 ( 2 ) 在一台t e ac 0 2 激光器上产生两个波长不同的同步脉冲，如图1 ( b ) 所示。但是，由于两束波长不同的激光在激活介质的完全相同区域振荡，相互 竞争非常严重，这就限制了两束激光的波长调谐范围，并且不同波长的支线能 量无法调节，常常不能满足实际应用的要求。 ( 3 ) 在一台t e ac 0 2 激光器同步输出波长不同的两个激光脉冲，如图l ( c ) 所示“”。但是输出的两个激光脉冲在空间上不是重叠的，在反射镜耦合在一起 输出以便利用，增加了光学器件，增大了光束能量损耗，提高了激光器的运行 8 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 成本和制造成本，而且光路调节比较困难。 图1 1 ( c ) 在一台激光器的完全不同空间输出双波长 1 10 i | fj 。岱a 7 c 图1 1 ( d ) 用带小孔的全反射镜组成双波长激光器 ( 4 ) 用一个带小孔的全反射镜组成的双波长调谐t e ac 0 2 激光器，如图l ( d ) 所示。该方案输出的双波长激光调谐范围较窄，双波长靠得比较近，远 场光斑空间上分离，调谐过程中输出光场位置改变，不方便应用，对光路调节 要求的技术高。 ( 5 ) 一种折叠式双波长可调谐t e ac q 激光器，如图l ( e ) 所示。两谐 振腔的光路平行运转，互不干扰，但是输出的双波长激光在空间上不重叠。 9 四川1 人宁硕十学位论文 第一章绪论 图1 1 ( e ) 折叠式双波长可调谐激光器 n八入 y g i m 图1 1 ( f ) 在一台激光器的部分重叠空间输出双波长 ( 6 ) 此方案如图1 ( f ) 所示，由两个光栅在空间上交叠，两个光栅相互利 用，同步输出的两个波长不同的激光脉冲在空间上部分重叠，通过旋转光栅的 调谐方式，可以使两个脉冲的波长在较大范围内任意调解，两个脉冲的能量比 在一定范围内也可以通过平移光栅的位置来调节，整个光路便于调节。由于双 波长激光在空间上重叠，这对于物质的多原子分子的双频红外多光子共振光分 解具有明显的优势，而空间分离的双波长激光仅会在透镜焦点处才会有较好的 空间重叠，影响其实际应用。 1 0 四川大学硕十学付论文第一章绪论 参考文献 i a j b e a u l i e u t r a n s v e r s e l ye x c i t e d l e t t e r s 1 9 7 0 ，1 6 ( 1 2 ) ：5 0 4 5 0 5 2 v p s i n g a l ，i l j a y a n , b s n a r a y a n c o n t r o l l e ds w i t c hm u l t i - j o u l et e a 6 9 7 3 a t m o s p h e r i cp r e s s u r ec o zl a s e r s a p p l i e dp h y s i c s a n dd 2 b i s w a s ah i g h l ye f f i c i e n te l e c t r o nb e a m c 0 2l a s e r i n f i a r e dp h y s i c s & t e c h n o l o g y 2 0 0 3 ，4 4 ( 1 ) ： 3 k m i d o r i k a w a , k w a k a b a y a s h i 。m o b a r a a n dt f u j i o k a , h i g h p o w e r , c o n t i n u o u s f r e q u e n c yt u n a b l et ec 0 2l a s e r r e v s c i i n s t r u m 1 9 8 2 ，5 3 ( 4 ) ：4