Chemischer Laser

Ein Beispiel für einen chemischen Laser ist der Chlor-Wasserstoff-Laser (HCl-Laser), der auf folgender Reaktionssequenz basiert:

${\displaystyle \mathrm {Cl_{2}+h\nu \longrightarrow 2Cl^{*}} }$

${\displaystyle \mathrm {Cl+H_{2}\longrightarrow HCl+H} }$

${\displaystyle \mathrm {H+Cl_{2}\longrightarrow HCl+Cl} }$

(wobei hν das Photon aus dem UV-Lichtstrahl der Blitzröhre ist)[4]

Der prinzipielle Aufbau des Chlor-Wasserstoff-Lasers besteht aus einer Gasströmungsapparatur, in die Wasserstoff und die durch eine Gasentladung erzeugten Halogenradikale durch Düsen einströmen. Im Reaktionsrohr kommt es dabei zur Bildung der angeregten Moleküle. Senkrecht dazu sind zwei reflektierende Spiegel angeordnet, die als Resonator die Laseremission erzeugen, bei der es sich um kohärente Strahlung handelt.

Chemische Reaktionen können so ablaufen, dass als Endprodukt ein Molekül in einem angeregten Schwingungszustand des Elektronengrundniveaus entsteht. So ist z. B. die Reaktion, die zur Fluorwasserstoff-Bildung führt, exotherm:

${\displaystyle \mathrm {F+H_{2}\longrightarrow H+HF} }$

mit ΔH = 132 kJ/mol

Der Energieüberschuss ΔH geht mit nahezu 70 % in die Anregung der Schwingungsniveaus des HF-Moleküls. Durch Übergänge zwischen diesen Niveaus mit verschiedener Quantenzahl v entsteht bei der chemischen Reaktion Strahlung. Die Anregung ist selektiv, so dass Besetzungsinversion zwischen den Schwingungsniveaus erreicht wird.[5]

Der Laser-output liegt bei einer Wellenlänge von 2,6–3,5 μm, bestehend aus einer Reihe verschiedener Wellenlängen, die durch Rotations-Schwingungs-Übergänge erzeugt werden. Bei einer Reaktionsenthalpie (ΔH) von 132 kJ/mol hat man für die Vibrationsenergieniveaus 0,1,2,3 eine Häufigkeitsverteilung von 1:2:10:8, bei ΔH = 410 kJ/mol für die Schwingungsenergieniveaus von v=1 bis v=10 ein Verteilung von 6:6:9:16:20:33:30:16:9:6:6.[2]

Der Wasserstoff-Fluorid-Laser funktioniert ähnlich wie der Reaktionszyklus des HCl-Lasers, und analog dazu der DF-Laser, bei dem Wasserstoff durch Deuterium ausgetauscht ist. Der Hauptunterschied zum HCl-Laser besteht darin, dass in der Anfangsreaktion die freien Fluorradikale bei einer elektrischen Entladung durch Elektronenbeschuß einer Substanz erzeugt werden, die weniger gefährlich ist als F₂, wie zum Beispiel SF₆. Sauerstoffgas, das sich ebenfalls in der Reaktionsmischung befindet, setzt den dabei freigewordenen Schwefel zu SO₂ um.[4] Nur ungefähr 1 % des Reaktionsgases strömt dabei durch den Laser.

HF-Lasers wurden für Anwendungen in der Raketenabwehr gebaut, sind aber zu diesem Zweck selten eingesetzt worden. Auch Anwendungen im Bereich der Spektroskopie sind möglich.[5]

Ein typisches Gasgemisch für den Iodlaser ist 1-Iodheptafluorpropan, das in einer Ampulle gelagert wird und in ein Silikat-Laserrohr mit einem Druck von 30 bis 300 mbar gefüllt wird. Dabei findet folgende Reaktionssequenz statt:[4]

${\displaystyle \mathrm {C_{3}F_{7}I+h\nu \longrightarrow C_{3}F_{7}+I*} }$

${\displaystyle \mathrm {I*\longrightarrow I+h\nu } }$

${\displaystyle \mathrm {C_{3}F_{7}+I+M\longrightarrow C_{3}F_{7}I+M} }$

Iodlaser sind Lasertypen, mit denen Experimente zur Kernfusion denkbar wären.[5]

Der chemische Sauerstoff-Iodlaser (englisch chemical oxygen iodine laser, COIL), eine Variation des Iodlasers, emittiert Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 1,315 µm.

Zunächst wird durch eine elektrische Entladung Singulettsauerstoff (¹ΔO₂) erzeugt. Dieser liefert über einen Energietransfer die Pumpenergie für die Iodatome. Diese werden zu Schwingungen angeregt, wodurch es zur Besetzungsinversion zwischen dem Grundzustand I(²P3/2) und dem ersten angeregten Elektronenzustand I(²P1/2) kommt. Außerdem reicht die Energie zur Dissoziation der gasförmigen Iodmoleküle.

Das ganze im Hohlraumresonator (Kavität) befindliche laseraktive Gemisch hat eine Strömungsgeschwindigkeit, die der doppelten Schallgeschwindigkeit entspricht. Dadurch wird eine effiziente Besetzungsinversion bei niedriger Temperatur und geringem Druck erreicht. Außerdem hat das Sauerstoff-Iod-Gemisch laseraktive Eigenschaften, die das Strahlungsfeld im Resonator nicht beeinträchtigen. Das chemische Sauerstoff-Iod-Lasersystem zeichnet sich durch seine hohe Strahlqualität bei gleichzeitig hoher Laserleistung aus.[6]