Un láser químico es un láser que obtiene su energía a partir de una reacción química . Los láseres químicos pueden alcanzar una salida de onda continua con una potencia que alcanza niveles de megavatios . Se utilizan en la industria para cortar y perforar.
Ejemplos comunes de láseres químicos son el láser químico de yodo y oxígeno (COIL), el láser de yodo en fase gaseosa (AGIL) y los láseres de fluoruro de hidrógeno (HF) y fluoruro de deuterio (DF), todos los cuales operan en la región del infrarrojo medio. También existe un láser DF-CO2 (fluoruro de deuterio- dióxido de carbono ), que, al igual que COIL, es un "láser de transferencia". Los láseres HF y DF son inusuales porque hay varias transiciones de energía molecular con energía suficiente para cruzar el umbral requerido para el láser. Dado que las moléculas no chocan con la frecuencia suficiente para redistribuir la energía, varios de estos modos de láser funcionan simultáneamente o en una sucesión extremadamente rápida, de modo que un láser HF o DF parece funcionar simultáneamente en varias longitudes de onda a menos que se utilice un dispositivo de selección de longitud de onda. incorporado al resonador .
La posibilidad de crear láseres infrarrojos basados en productos excitados por vibración de una reacción química fue propuesta por primera vez por John Polanyi en 1961. [1] Jerome VV Kasper y George C. Pimentel demostraron un láser químico pulsado en 1965. [2 ] Primero, el cloro (Cl 2 ) se fotodisociaba vigorosamente en átomos, que luego reaccionaban con hidrógeno, produciendo cloruro de hidrógeno (HCl) en un estado excitado adecuado para un láser. Luego se demostraron el fluoruro de hidrógeno (HF) y el fluoruro de deuterio (DF). Pimentel pasó a explorar un láser de transferencia DF-CO2. Aunque este trabajo no produjo un láser de onda continua puramente químico, allanó el camino al mostrar la viabilidad de la reacción química como mecanismo de bombeo para un láser químico.
El láser químico HF de onda continua (CW) se demostró por primera vez en 1969 [3] y se patentó en 1972 [4] por DJ Spencer, TA Jacobs, H. Mirels y RWF Gross en The Aerospace Corporation en El Segundo , California . Este dispositivo utilizó la mezcla de corrientes adyacentes de H 2 y F, dentro de una cavidad óptica , para crear HF excitado por vibración que emitía un láser. El flúor atómico se proporcionó mediante la disociación del gas SF 6 utilizando una descarga eléctrica de CC . Trabajos posteriores en organizaciones contratistas del Ejército de los EE. UU., la Fuerza Aérea de los EE. UU. y la Marina de los EE. UU. (por ejemplo, TRW ) utilizaron una reacción química para proporcionar el flúor atómico, un concepto incluido en la divulgación de patente de Spencer et al. [4] Esta última configuración evitó la necesidad de energía eléctrica y condujo al desarrollo de láseres de alta potencia para aplicaciones militares.
El análisis del rendimiento del láser de HF es complicado debido a la necesidad de considerar simultáneamente la mezcla dinámica de fluidos de corrientes supersónicas adyacentes, múltiples reacciones químicas fuera de equilibrio y la interacción del medio de ganancia con la cavidad óptica. Los investigadores de The Aerospace Corporation desarrollaron la primera solución analítica exacta (hoja de llama), [5] la primera solución de código informático numérico [6] y el primer modelo simplificado [7] que describe el rendimiento del láser químico CW HF.
Los láseres químicos estimularon el uso de cálculos de óptica de ondas para el análisis de resonadores. Este trabajo fue iniciado por EA Sziklas ( Pratt & Whitney ) y AE Siegman ( Universidad de Stanford ). [8] [9] La Parte I de su trabajo trató sobre la expansión Hermite-Gaussiana y ha recibido poco uso en comparación con la Parte II, que trató sobre el método de transformada rápida de Fourier , que ahora es una herramienta estándar en United Technologies Corporation , Lockheed Martin . SAIC , Boeing , tOSC , MZA (Wave Train) y OPCI. La mayoría de estas empresas compitieron por contratos para construir láseres HF y DF para DARPA , la Fuerza Aérea de los EE. UU., el Ejército de los EE. UU. o la Marina de los EE. UU. durante las décadas de 1970 y 1980. General Electric y Pratt & Whitney abandonaron la competencia a principios de la década de 1980, dejando el campo a Rocketdyne (ahora parte de Pratt & Whitney , aunque la organización láser permanece hoy en manos de Boeing) y TRW (ahora parte de Northrop Grumman ).
RC Wade desarrolló modelos completos de láser químico en SAIC, [10] en TRW por C.-C. Shih, [11] por D. Bullock y ME Lainhart, [12] y en Rocketdyne por DA Holmes y TR Waite. [13] De estos, quizás el más sofisticado fue el código CROQ en TRW, superando el trabajo inicial en Aerospace Corporation . [ cita necesaria ]
Los primeros modelos analíticos, junto con estudios de tasas químicas [14], llevaron al diseño de dispositivos láser CW HF experimentales eficientes en United Aircraft, [15] y The Aerospace Corporation. [16] Se alcanzaron niveles de potencia de hasta 10 kW . El láser DF se obtuvo mediante la sustitución de H2 por D2 . Un grupo de United Aircraft Research Laboratories produjo un láser químico de recirculación, [17] que no dependía del consumo continuo de reactivos químicos.
Posteriormente , TRW Systems Group en Redondo Beach, California , recibió contratos de la Fuerza Aérea de EE. UU. para construir láseres CW HF/DF de mayor potencia. Utilizando una versión ampliada de un diseño de Aerospace Corporation, TRW alcanzó niveles de potencia de 100 kW. General Electric, Pratt & Whitney y Rocketdyne construyeron varios láseres químicos con fondos de la empresa en previsión de recibir contratos del Departamento de Defensa para construir láseres aún más grandes. Sólo Rocketdyne recibió contratos de valor suficiente para seguir compitiendo con TRW. TRW produjo el dispositivo MIRACL para la Marina de los EE. UU. que alcanzó niveles de potencia de megavatios. Se cree que este último es el láser continuo de mayor potencia, de cualquier tipo, desarrollado hasta la fecha (2007).
TRW también produjo un láser químico cilíndrico (el láser Alpha) para DARPA Zenith Star , que tenía la ventaja teórica de ser escalable a potencias aún mayores. Sin embargo, en 1990, el interés en los láseres químicos se había desplazado hacia longitudes de onda más cortas, y el láser químico de oxígeno y yodo (COIL) ganó el mayor interés, produciendo radiación a 1,315 μm. Existe una ventaja adicional de que el láser COIL generalmente produce radiación de longitud de onda única, lo que es muy útil para formar un haz muy bien enfocado. Este tipo de láser BOBINA se utiliza hoy en día en el ABL (Airborne Laser, construido por Northrop Grumman) y en el ATL (Advanced Tactical Laser) producido por Boeing. Mientras tanto, se utilizó un láser HF de menor potencia para el THEL (láser táctico de alta energía) construido a finales de la década de 1990 para el Ministerio de Defensa israelí en cooperación con el SMDC del ejército estadounidense. Es el primer láser de alta energía desplegado que demuestra eficacia en pruebas bastante realistas contra cohetes y artillería. El láser MIRACL ha demostrado eficacia contra ciertos objetivos volados frente a él en White Sands Missile Range, pero no está configurado para el servicio real como arma de campo. ABL logró derribar varios misiles de tamaño completo desde distancias significativas, y ATL logró inutilizar vehículos terrestres en movimiento y otros objetivos tácticos.
A pesar de las ventajas de rendimiento de los láseres químicos, el Departamento de Defensa detuvo todo desarrollo de sistemas de láseres químicos con la finalización del Airborne Laser Testbed en 2012. El deseo de una fuente de energía "renovable", es decir, no tener que suministrar productos químicos inusuales como el flúor, el deuterio, el peróxido de hidrógeno básico o el yodo, llevaron al Departamento de Defensa a impulsar láseres bombeados eléctricamente, como los láseres alcalinos bombeados por diodos (DPALS). Un informe semanal "Inside the Army" menciona el "Plan Maestro de Energía Dirigida" [18]
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