©2009 г. А. А. Мак, доктор физ.-мат. наук; И. М. Белоусова, доктор физ.-мат. наук; В. М. Киселев, доктор физ.-мат. наук; А. С. Гренишин, канд. физ.-мат. наук; О. Б. Данилов, доктор физ.-мат. наук; Е. Н. Соснов
Институт лазерной физики НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
E-mail: kiselev_v_m@yahoo.com
Разработана концепция системы прямого преобразования солнечной энергии в лазерное излучение на базе фуллерен-кислород-йодного лазера. Показаны преимущества этой системы и ее конкурентоспособность по сравнению с другими аналогичными системами преобразования солнечной энергии. Выполнен анализ различных вариантов генераторов синглетного кислорода на основе твердофазных фуллеренсодержащих структур. На основе этого анализа сделан вывод о необходимости работы такого генератора с протоком молекулярного кислорода через пористое фуллеренсодержащее покрытие, нанесенное на подложку с пористой структурой, для компенсации потерь кислорода в покрытии в процессе его фотодесорбции. Проведен цикл экспериментальных исследований процессов преобразования солнечной энергии в лазерное излучение с использованием разработанного макета фуллерен- кислород-йодного лазера с накачкой имитатором солнечного излучения. Получена генерация в импульсно-периодическом режиме работы лазера с частотой 10 Гц со средней выходной мощностью 30 Вт. Достигнут съем энергии лазерной генерации с единицы объема активной среды 9 Дж/л.
УДК 621.373.826.038.823:535.21
Коды OCIS: 140.1340, 160.4760, 260.3800, 350.4600, 350.5610, 350.6050.
Поступила в редакцию 03.12.2008.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алферов Ж.И. Новая энергетика // Вестник энергосбережения южного Урала. 2003. № 3. С. 10–12. 1 Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. № 8. С. 937–948.
2. Young C.G. A Sun-Pumped cw One-Watt Laser // Appl. Opt. 1966. V. 5. № 6. P. 993–997. 3. Козлов Н.А., Мак А.А., Седов Б.М. Твердотельные ОКГ с накачкой солнечным излучением // ОМП. 1966. № 11. C. 25–29.
4. Lee J.H., Weaver W.R. A solar simulator-pumped atomic iodine laser // Appl. Phys. Lett. 1981. V. 39. № 2. P. 137–139.
5. Залесский В.Ю., Ершов Л.С., Кокушкин А.М., Поликарпов С.С. Непрерывная генерация фотодиссоциативного йодного лазера // Квант. элек- трон. 1981. T. 8. C. 830–837.
6. De Young R.J., Weaver W.R. Low-threshold solar- pumped laser using C 2 F 5 I // Appl. Phys. Lett. 1986. V. 49. № 7. P. 369–370.
7. Залесский В.Ю. Йодный лазер с солнечной накачкой // Квант. электрон.1983. Т. 10. С. 1097– 1107.
8. Choi S.H., Lee J.H., Meador W.E., Conway E.J. A 50-kW Module Power Station of Directly Solar- Pumped Iodine Laser // Trans. of the ASME. J. Sol. Energy Eng. 1997. V. 119. P. 304–315.
9. Brandt O. Photokatalytischer Sauerstoff-Jod- Laser – ein neues Konzept auf Fullerenbasis // Laser und Optoelektronik. 1994. V. 26. № 3. P. 68–70.
10. Мак А.А., Данилов О.Б., Белоусова И.М. Способ получения генерации стимулированного излучения на атомах йода // Патент РФ № 2181224. 2000.
11. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Гренишин А.С., Данилов О.Б., Киселев В.М., Крисько А.В., Мак А.А., Муравьева Т.Д., Соснов Е.Н. Лазерная генерация йода в системе фуллерен-кислород- йод // Опт. и спектр. 2003. Т. 95. С. 888–890.
12. McDermott W.E., Pchelkin N.R., Bernard D.J., Bousek R.R. The electronic transition chemical laser // Appl. Phys. Lett. 1978. V. 32. № 8. P. 469– 473.
13. Bernard D.J., McDermott W.E., Pchelkin N.R., Bousek R.R. Efficient operation of a 100-W transverse-flow oxygen-iodine chemical laser // Appl. Phys. Lett. 1979. V. 34. № 1. P. 40–41. 14. Денисов В.Н., Маврин Б.Н., Руани Ж., Замбони Р., Талиани К. Влияние кислорода и длины волны возбуждения на фотолюминесценцию пленки фуллерена // ЖПС. 1992. V. 57. № 5–6. C. 489– 492.
15. Kodymova J., Spalek O., Lunak S., Juha L., Hamplova V. Investigation of possibility of O2 ( 1Δg ) generation by photodynamic effect in solid-gas system: An opportunity for oxigen-iodine laser? // Proc. SPIE. 1996. V. 2767. P. 245–251.
16. Багров И.В., Белоусова И.М., Гренишин А.С., Данилов О.Б., Ермаков А.В., Киселев В.М., Кисляков И.М., Муравьева Т.Д., Соснов Е.Н. Процессы генерации синглетного кислорода на основе фуллеренсодержащих сред. Часть 2. Фуллеренсодержащие растворы // Квант. электрон. 2008. Т. 38. С. 286–293.
17. Yabe T., Ohkudo T., Uchida S., Yoshida K., Nakatsuka M., Funatsu T., Mabuti A., Oyama A., Nakagawa K., Oishi T., Daito K., Behgol B., Nakayama Y., Yoshida M., Motokoshi S., Sato Y., Baasanash C. High-efficiency and economical solar-energy- pumped laser with Frenel lens and chromium codoped medium // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 261120-1(3).
18. Saiki T., Motokoshi S., Imasaki K., Fujita H., Nakatsuka M., Izawa Y., Ymanaka C. Oscillation Property of Rod-Type Nd/Cr: YAG Ceramic Lasers with Quasi Solar Pumping // Laser and Electro- Optics. 2007. 6–11 Мay. P. 1–2.
19. Krupke W.F., Beach R.J., Kanz V.K., Payne S.A., Early J.T. New class of cw high-power diode- pumped alkali lasers // Proc. SPIE. 2004. V. 5448. P. 7–17.
20. Baker H.J., King T.A. Repetitively pulsed iodine laser with thermal gas flow cycle // J. Phys. D: Appl. Phys. 1981. V. 14. P. 1367–1376.
21. Grenishin A.S., Gryaznov N.A., Kiselev V.M. Repetitively pulsed iodine laser with Q-switch and controlled spectrum of radiation // Proc. SPIE. 1994. V. 2095. P. 171–179.
22. Arbogast J.W., Darmanyan A.P., Foote C.S., Rubin Y., Diederich F.N., Alvarez M.M., Anz S.J., Whetten R.L. Photophysical Properties of C60 // J. Phys. Chem. 1991. V. 95. P. 11–12. 23. Разумовский С.Д. Кислород – элементарные формы и свойства. М.: Химия, 1979. 304 с.
24. Belousova I.M., Belousov V.P., Danilov O.B., Ermakov A.V., Kiselev V.M., Kislyakov I.M., Sosnov E.N. Gases sorption and photodesorption on/from solid-state fullerenе and fullerene- like adsorbents // Proc. SPIE. 2007. V. 6613. P. 661317–23.
25. Юрышев Н.Н. Кислородно-йодный лазер с химической накачкой // Квант. электрон. 1996. Т. 23. С. 583–600.
26. Derwent R.G., Thrush B.A.The radiative lifetime of the metastable iodine atom I(5 2P1/2 ) // Chem Phys. Lett. 1971. V. 9. P. 591–592. Derwent R.G., Thrush B.A. Excitation of Iodine by Singlet Molecular Oxygen // J. Chem. Soc., Farad. Trans. 1972. V. 68. P. 720–728.
27. Ismail I.M.K., Rodgers S.L. Comparisons between fullerene and forms of well-known carbons // Car- bon. 1992. V. 30. № 2. P. 229–239.
28. Kaneko K., Shimizu K., Suzuki T. Intrapore field- dependent micropore filling of supercritical N 2 in slit-shaped micropores // J. Chem. Phys. 1992. V. 97. № 11. P. 87058711. 29. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Ермаков А.В., Киселев В.М., Соснов Е.Н. Адсорбция кислорода фуллеренами и углеродными наноструктурами // Журн. физ. химии. 2007. Т. 81. С. 1847–1855.
30. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Данилов О.Б., Ермаков А.В., Киселев В.М., Кисляков И.М., Соснов Е.Н. Процессы генерации синглетного кислорода на основе фуллеренсодержащих сред. Часть 1. Фотодесорбция синглетного кислорода с фуллеренсодержащих поверхностей // Квант. электрон. 2008. Т. 38. С. 280–285.
31. Данилов О.Б., Белоусова И.М., Мак А.А., Белоусов В.П., Гренишин А.С., Киселев В.М., Крисько А.В., Муравьева Т.Д., Пономарев А.Н., Соснов Е.Н. Фуллерен-кислород-йодный лазер (FOIL). Физические принципы // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 12. С. 79–86.
32. Belousova I.M., Belousov V.P., Danilov O.B., Ermakov A.V., Kiselev V.M., Kris’ko A.V., Murav’eva T.D., Ponomarev A.N., Sosnov E.N. Singlet oxygen generator on base of solid-state fullerene- containing structures for fullerene-oxygene-iodine laser design: physical principles // Proc. SPIE. 2005. V. 5777. P. 277–280.
33. Пономарев А.Н., Никитин В.А. Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа. Патент РФ № 2196731. 2000.
34. Багров И.В., Белоусова И.М., Ермаков А.В., Киселев В.М., Кисляков И.М., Соснов Е.Н. Влияние кислорода и йода на оптические и магнитные свойства фуллерена С60 // Опт. и спектр. 2009. Т. 106. № 4. С. 570–578.
35. Mitzner R., Campbell E.E.B. Optical emission studies of laser desorbed C60 // J. Chem. Phys. 1995. V. 103. P. 2445–2453.
36. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974. 450 с.
37. Knochenmuss R. A quantitative model of ultraviolet matrix-assisted laser desorption/ionization // J. Mass Spectrom. 2002. V. 37. № 8. P. 867–877.
38. Campbell E.E.B., Hansen K., Heden M., Kjellberg M., Bulgakov A.V. Ionisation of fullerenes and fullerene clusters using ultrashot laser pulses // Photochem. Photobiol. Sci. 2006. V. 5. P. 1183–1189.
39. Tanaka K. The Origin of Macromolecule Ionization by Laser Irradiation (Nobel Lecture) // Angew. Chem., Int. Ed. 2003. № 42. P. 3860–3870.
40. Harris P.J.F. Carbon nanotubes and related structures. New materials for the twenty-first centure. Cambridge University Press, 1999. 336 с.
41. Вейнгер А.И., Шанина Б.Д., Данишевский А.М., Попов В.В., Гордеев С.К., Гречинская А.В. Электрофизические исследования пористых углеродных материалов, полученных из порошка карбида кремния // Физика твердого тела. 2003. V. 45. C. 1141–1150.
42. Ohno T.R., Kroll G.H., Weaver J.H., Chibante L.P.F., Smalley R.E. Doping of C60 with iodine // Nature. 1992. V. 355(6359). P. 401.
43. Grigoryan L.S., Tokumoto M. New iodine containing polymers of C60 : synthesis, characterization and magnetic properties // Solid State Commun. 1995. V. 96. P. 523–528.
44. Lyubovskaya R.N., Konarev D.V. Yudanova E.I., Roschupkina O.S., Shul’ga Yu.M., Semkin V.N., Graja A. Iodine doping of C60 charge transfer complexes // Synth. Met. 1997. V. 84(1). P. 741–742.
45. Конарев Д.В., Любовская Р.Н. Донорно-акцеп торные комплексы и ион- радикальные соли на основе фуллеренов // Успехи химии. 1999. Т. 68. С. 45.
46. Макарова Т.Л. Магнитные свойства углеродных структур // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. С. 641–664.
47. Багров И.В., Белоусова И.М., Данилов О.Б., Киселев В.М., Муравьева Т.Д., Соснов Е.Н. Фото- индуцированное тушение люминесценции синглетного кислорода в растворах фуллеренов // Опт. и спектр. 2007. Т. 102. С. 1847–1854.
48. Nikolaev V.D., Svistun M.I., Zagidullin M.V., Hager G.D. Efficient chemical oxygen-iodine laser powered by a centrifugal bubble singlet oxygen generator // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 86. P. 231102–231102(2).
49. Spalek O., Hruby J., Jirasek V., Censky M., Kodimova J., Piskova I. Advanced spray generator of singlet oxygen // Proc. SPIE. 2007. V. 6346. P. 63460C-1(9).
50. Адаменков А.А., Выскубенко Б.А., Ильин С.П. Исследование генератора синглетного кислорода с закрученным аэрозольным потоком // Квант. электрон. 2002. Т. 32. С. 490–494.
51. Гренишин А.С., Киселев В.М., Кисляков И.М., Павлова А.Л., Соснов Е.Н. Достижения и проблемы фуллерен-кислород-йодного лазера // Опт. и спектр. 2009.
Полный текст >>>>
Converting solar energy into laser radiation using a fullerene-oxygen-iodine laser with solar pumping
A. A. Mak, I. M. Belousova, V. M. Kiselev, A. S. Grenishin, O. B. Danilov, and E. N. Sosnov
The concept of a system for directly converting solar energy into laser radiation on the basis of a fullerene-oxygen-iodine laser has been developed. It is shown that this system has advantages and is competitive with other similar solar-energy-conversion systems. Various versions of singlet-oxygen generators based on solid-phase fullerene-containing structures are analyzed. Based on this analysis, it is concluded that such a generator needs to be operated with molecular oxygen passing through a porous fullerene-containing coating deposited on a substrate with a porous structure to compensate the loss of oxygen in the coating as it undergoes photodesorption. Experimental research into the processes of solar-energy conversion into laser radiation has been carried out, using a prototype that has been developed of a fullerene-oxygen-iodine laser with pumping by a solar-radiation simulator. Lasing in the pulsed-periodic regime of laser operation has been obtained, with repetition rate 10Hz and mean output power 30W. Lasing energy per unit volume of the active medium of 9J/L has been achieved.
