化学レーザー

化学レーザーは、化学反応からエネルギーを得るレーザーです。化学レーザーは、メガワットレベルに達する出力で連続波出力を実現できます。化学レーザーは、業界では切断や穴あけに使用されます。

化学レーザーの一般的な例としては、化学酸素ヨウ素レーザー(COIL)、全気相ヨウ素レーザー(AGIL)、フッ化水素(HF) レーザー、フッ化重水素(DF) レーザーなどがあり、いずれも中赤外線領域で動作します。また、DF-CO2 レーザー (フッ化重水素-二酸化炭素) も存在し、これは COIL と同様に「転移レーザー」です。HF レーザーと DF レーザーは、レーザー発振に必要なしきい値を超えるのに十分なエネルギーを持つ分子エネルギー遷移が複数あるという点で異なります。分子はエネルギーを再分配するのに十分な頻度で衝突しないため、これらのレーザー モードのいくつかは同時に、または非常に急速に連続して動作します。そのため、HF レーザーまたは DF レーザーは、波長選択デバイスが共振器に組み込まれていない限り、複数の波長で同時に動作しているように見えます。

化学反応の振動励起生成物に基づく赤外線レーザー生成の可能性は、1961年にジョン・ポラニーによって初めて提案されました。 ^[1]パルス化学レーザーは、1965年に ジェローム・VV・カスパーとジョージ・C・ピメンテルによって実証されました。 ^[2]最初に、塩素(Cl _{2 )}が激しく光分解されて原子になり、次に水素と反応して、レーザーに適した励起状態の塩化水素 (HCl) が生成されました。次に、フッ化水素(HF) とフッ化重水素 (DF) が実証されました。ピメンテルは、DF-CO2 転送レーザーの研究を続けました。この研究は、純粋に化学的な連続波レーザーを生み出したわけではありませんが、化学反応が化学レーザーのポンピング機構として実行可能であることを示すことで道を開いたのです。

連続波（CW）化学HFレーザーは、1969年に初めて実証され、^[3 ] 1972年にカリフォルニア州エルセグンドのThe Aerospace CorporationのDJ Spencer、TA Jacobs、H. Mirels、RWF Grossによって特許を取得しました。 ^{[4]このデバイスは、}光キャビティ内でH ₂とFの隣接するストリームを混合して、振動励起されたHFを作成し、レーザーを発します。原子フッ素は、DC電気放電を使用したSF ₆ガスの解離によって生成されました。その後、米国陸軍、米国空軍、米国海軍の請負業者組織（TRWなど）での作業では、化学反応を使用して原子フッ素を生成しました。この概念は、Spencerらの特許開示に含まれていました。^[4]後者の構成により電力が不要になり、軍事用途の高出力レーザーの開発につながりました。

HFレーザーの性能分析は、隣接する超音速流の流体力学的混合、複数の非平衡 化学反応、および利得媒体と光キャビティとの相互作用を同時に考慮する必要があるため複雑です。エアロスペースコーポレーションの研究者は、CW HF化学レーザーの性能を説明する最初の正確な解析（炎シート）ソリューション^[5] 、最初の数値コンピュータコードソリューション^[6]、および最初の簡略モデル^[7]を開発しました。

化学レーザーは、共振器解析のための波動光学計算の利用を促進した。この研究は、EA Sziklas ( Pratt & Whitney ) とAE Siegman ( Stanford University ) によって開拓された。^{[8] [9]}彼らの研究の第 1 部はエルミート-ガウス展開を扱ったもので、第 2 部で扱った高速フーリエ変換法に比べてあまり利用されていない。高速フーリエ変換法は現在、United Technologies Corporation、Lockheed Martin、SAIC、Boeing、tOSC、 MZA (Wave Train)、および OPCI で標準ツールとなっている。これらの企業のほとんどは、 1970 年代から 1980 年代を通じて、 DARPA、米国空軍、米国陸軍、または米国海軍向けの HF および DF レーザーの製造契約を競っていた。ゼネラル・エレクトリックとプラット・アンド・ホイットニーは 1980 年代初頭に競争から撤退し、その地位はロケットダイン(現在はプラット・アンド・ホイットニーの一部。ただしレーザー部門はボーイングに残っている) とTRW (現在はノースロップ・グラマンの一部) に譲った。

包括的な化学レーザーモデルは、SAICではRC Wade氏によって開発され、^[10] TRWではC.-C. Shih氏によって、^[11] D. Bullock氏とME Lainhart氏によって、^[12] RocketdyneではDA Holmes氏とTR Waite氏によって開発されました。^{[13]これらの中でおそらく最も洗練されたのはTRWのCROQコードであり、} Aerospace Corporationの初期の研究を上回りました。^[要出典]

初期の解析モデルと化学反応速度の研究^{[14]を組み合わせることで、ユナイテッド・エアクラフト[15]}とエアロスペース・コーポレーション^[16]で効率的な実験用 CW HF レーザー装置が設計されました。最大10kWの電力レベルが達成されました。DF レーザーは H _{2を D 2}に置き換えることで得られました。ユナイテッド・エアクラフト・リサーチ・ラボラトリーズのグループは、化学反応物の連続消費に依存しない 循環型化学レーザー^{[17]を開発しました。}

カリフォルニア州レドンドビーチのTRWシステムズグループはその後、より高出力のCW HF/DFレーザーを製造するために米国空軍の契約を獲得しました。TRWは、エアロスペースコーポレーションの設計を拡大したものを使用して、100kWの出力レベルを達成しました。ゼネラルエレクトリック、プラットアンドホイットニー、ロケットダインは、国防総省からさらに大きなレーザーを製造する契約を獲得することを見越して、会社の資金でさまざまな化学レーザーを構築しました。TRWと競争し続けるのに十分な価値の契約を獲得したのはロケットダインだけでした。TRWは、メガワットレベルの出力を達成した米国海軍向けのMIRACLデバイスを製造しました。後者は、現在までに開発されたあらゆる種類の連続レーザーの中で最高出力であると考えられています（2007年）。

TRW社は、さらに大きな出力に拡張できるという理論上の利点がある円筒形化学レーザー（アルファレーザー）をDARPA Zenith Star向けに製造しました。しかし、1990年までに、化学レーザーへの関心はより短い波長へと移り、1.315 μmで放射する化学酸素ヨウ素レーザー（COIL）が最も注目を集めました。COILレーザーは通常単一波長の放射を生成するというさらなる利点があり、これは非常に焦点の合ったビームを形成するのに非常に役立ちます。このタイプのCOILレーザーは、現在、ABL（航空機搭載用レーザー、レーザー自体はノースロップ・グラマン社が製造）およびボーイング社が製造するATL（先進戦術レーザー）で使用されています。一方、より低出力のHFレーザーは、 1990年代後半にイスラエル国防省向けに米陸軍SMDCと協力して製造されたTHEL（戦術高エネルギーレーザー）で使用されました。 MIRACLレーザーはホワイトサンズ ミサイル実験場でその前を飛行する特定の標的に対して有効性を実証しましたが、実戦配備兵器として実際に運用できるようには構成されていません。ABL は、かなりの距離からフルサイズのミサイルを数発撃墜することに成功し、ATL は移動中の陸上車両やその他の戦術標的を無力化することに成功しました。

化学レーザーの性能上の利点にもかかわらず、国防総省は2012年に空中レーザーテストベッドの終了とともに化学レーザーシステムの開発をすべて中止しました。フッ素、重水素、塩基性過酸化水素、ヨウ素などの特殊な化学物質を供給しなくてもよい「再生可能な」電源の要望から、国防総省はダイオード励起アルカリレーザー（DPALS）などの電気励起レーザーを推進しました。「Inside the Army」の週刊レポートでは「指向性エネルギーマスタープラン」について言及しています^[18]