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 llega a niveles de megavatios . Se utilizan en la industria para cortar y taladrar.
Ejemplos comunes de láseres químicos son el láser de yodo y oxígeno químico (COIL), el láser de yodo en fase gaseosa (AGIL) y los láseres de fluoruro de hidrógeno (HF) y fluoruro de deuterio (DF), todos ellos que operan en la región del infrarrojo medio . También existe un láser DF-CO2 (fluoruro de deuterio- dióxido de carbono ), que, como el COIL, es un "láser de transferencia". Los láseres HF y DF son inusuales, ya que hay varias transiciones de energía molecular con energía suficiente para cruzar el umbral requerido para la emisión láser. Dado que las moléculas no chocan con la frecuencia suficiente para redistribuir la energía, varios de estos modos de láser operan simultáneamente o en una sucesión extremadamente rápida, de modo que un láser HF o DF parece operar simultáneamente en varias longitudes de onda a menos que se incorpore un dispositivo de selección de longitud de onda en el resonador .
La posibilidad de crear láseres infrarrojos basados en los productos vibracionalmente excitados de una reacción química fue propuesta por primera vez por John Polanyi en 1961. [1] Un láser químico pulsado fue demostrado por Jerome VV Kasper y George C. Pimentel en 1965. [2] Primero, el cloro (Cl 2 ) fue fotodisociado vigorosamente en átomos, que luego reaccionaron con hidrógeno, produciendo cloruro de hidrógeno (HCl) en un estado excitado adecuado para un láser. Luego se demostró el fluoruro de hidrógeno (HF) y el fluoruro de deuterio (DF). Pimentel continuó explorando 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 un mecanismo de bombeo para un láser químico.
El láser químico de alta frecuencia de onda continua (CW) se demostró por primera vez en 1969, [3] y fue patentado 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 vibracionalmente que emitía láser. El flúor atómico se proporcionó por disociación del gas SF 6 utilizando una descarga eléctrica de CC . Trabajos posteriores en organizaciones contratistas del Ejército de EE. UU., la Fuerza Aérea de EE. UU. y la Armada de EE. UU. (por ejemplo, TRW ) utilizaron una reacción química para proporcionar el flúor atómico, un concepto incluido en la divulgación de la patente de Spencer et al. [4] La última configuración obviaba la necesidad de energía eléctrica y condujo al desarrollo de láseres de alta potencia para aplicaciones militares.
El análisis del rendimiento del láser de alta frecuencia es complicado debido a la necesidad de considerar simultáneamente la mezcla fluidodinámica 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 (capa de llama), [5] la primera solución de código numérico por computadora [6] y el primer modelo simplificado [7] que describe el rendimiento del láser químico de alta frecuencia de onda continua.
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 de Hermite-Gauss 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 de alta frecuencia y doble frecuencia para DARPA , la Fuerza Aérea de los EE. UU., el Ejército de los EE. UU. o la Marina de los EE. UU. a lo largo de los años 1970 y 1980. General Electric y Pratt & Whitney abandonaron la competición a principios de los años 1980, dejando el campo a Rocketdyne (ahora parte de Pratt & Whitney , aunque la organización láser permanece hoy en día con Boeing) y TRW (ahora parte de Northrop Grumman ).
RC Wade [10] , C.-C. Shih [11] , D. Bullock y ME Lainhart [12], y DA Holmes y TR Waite [13] , desarrollaron modelos completos de láser químico en SAIC. De estos, quizás el más sofisticado fue el código CROQ de TRW, que superó el trabajo inicial de Aerospace Corporation . [ cita requerida ]
Los primeros modelos analíticos acoplados con estudios de velocidad química [14] condujeron al diseño de dispositivos láser de alta frecuencia de onda continua experimentales eficientes en United Aircraft [15] y The Aerospace Corporation [16] . Se lograron niveles de potencia de hasta 10 kW . La emisión láser de DF se obtuvo mediante la sustitución de D 2 por H 2 . Un grupo de United Aircraft Research Laboratories produjo un láser químico de recirculación [17] que no dependía del consumo continuo de reactivos químicos.
El grupo TRW Systems de Redondo Beach (California ) recibió posteriormente contratos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para construir láseres CW HF/DF de mayor potencia. Utilizando una versión a mayor escala 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 Armada de los Estados Unidos 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 COIL se utiliza hoy en día en el ABL (láser aerotransportado, el láser está siendo construido por Northrop Grumman) y en el ATL (láser táctico avanzado) producido por Boeing. Mientras tanto, un láser HF de menor potencia se utilizó para el THEL (láser táctico de alta energía) construido a fines de la década de 1990 para el Ministerio de Defensa israelí en cooperación con el SMDC del ejército de los EE. UU. Es el primer láser de alta energía desplegado que demuestra efectividad en pruebas bastante realistas contra cohetes y artillería. El láser MIRACL ha demostrado su eficacia contra ciertos objetivos que se han visto en el campo de tiro de misiles White Sands, pero no está configurado para su uso como arma de combate. El ABL logró derribar varios misiles de tamaño normal desde distancias considerables, y el 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 el desarrollo de sistemas láser químicos con la terminación del Airborne Laser Testbed en 2012. El deseo de una fuente de energía "renovable", es decir, no tener que suministrar productos químicos inusuales como flúor, deuterio, peróxido de hidrógeno básico o yodo, llevó al Departamento de Defensa a impulsar láseres bombeados eléctricamente, como los láseres alcalinos bombeados por diodos (DPALS). Un informe semanal de "Inside the Army" menciona el "Plan Maestro de Energía Dirigida" [18].
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