Молекулярные газовые лазеры: СО-лазер

Содержание курса

Тема 17. Молекулярные газовые лазеры: СО-лазер

Другим лазером, работающим на колебательно-вращательных переходах основного электронного состояния, является лазер на окиси углерода: СО-лазер. Механизм образования инверсной населенности в нем существенно отличается от случая СО2-лазера.

Можно считать, что в разрядной трубке, заполненной молекулами СО, в состоянии термодинамического равновесия все молекулы окиси углерода находятся в основном колебательном состоянии, поскольку расстояние между ним и первым колебательным уровнем примерно на порядок больше kT.

При включении продольного электрического разряда сначала происходят столкновения молекул СО с электронами:

. (17.1)

Отличительной особенностью молекулы СО является большое сечение возбуждения колебательных состояний при столкновениях с электронами – в разряде до 90% энергии электроном может быть преобразовано в колебательную энергию.

Максимально возможное возбужденное колебательное квантовое число при этом может быть V=5-8. При этом доля возбужденных молекул, конечно же, остается существенно меньшей по сравнению с числом молекул, находящихся в основном состоянии, и говорить об инверсии нельзя. Однако молекулы СО, находящиеся в разных состояниях, сталкиваются между собой, обмениваясь колебательной энергией:

. (17.2)

Данный процесс называется колебательно-колебательным обменом (VV-обменом). В результате столкновения одна молекула переходит на более низкий колебательный уровень, а другая – на более высокий. При n=1 процесс называется одноквантовым, при n=2, 3, 4 … - двухквантовым, трехквантовым и т. д. Пусть для определенности, n=1, U=V (рисунок на слайде). Тогда:

. (17.3)

Этот процесс на слайде изображен сплошными стрелками. Он является экзотермическим, а высвобождающаяся при этом энергия соответствует дефекту энергии, который обусловлен ангармонизмом колебательных состояний. Обратный ему процесс, обозначенный штриховыми стрелками, напротив, является эндотермическим и записывается в виде:

. (17.4)

Энергетически более выгодным является экзотермический процесс. Вообще, вероятности экзо- и эндотермических процессов связаны соотношением, которое называется принципом детального равновесия:

. (17.5)

Таким образом, в условиях, когда населенность нижних колебательных уровней поддерживается на некотором уровне в результате столкновений с электронами, процесс VV-обмена приводит к забросу электронов вверх по колебательным уровням. Эффективность этого процесса зависит от температуры газа. При комнатной температуре максимально возможным заселенным колебательным состоянием является состояние V20, а при охлаждении (например, до температуры жидкого азота) номер колебательного уровня увеличивается до V35-40.

Помимо процесса (16.2). который называется симметричным VV-обменом, возможны также процессы асимметричного обмена:

. (17.6)

Наибольшие сечения имеют асимметричные процессы типа:

, (17.3)

которые оказывают заметное влияние на итоговое распределение населенностей по колебательными состояниям.

Асимметричные процессы могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими, и их вероятности также связаны между собой принципом детального равновесия.

В действительности не только процесс VV-обмена определяет населенность колебательных состояний. Всегда имеется процесс температурной релаксации (VT-релаксации), стремящийся вернуть газ в состояние термодинамического равновесия. Вероятность этого процесса мала по сравнению с вероятностью VV-обмена на нижних уровнях СО и увеличивается с ростом номера V. Кроме того, необходимо учитывать и другие процессы, приводящие к опустошению колебательно-возбужденных состояний, например, спонтанное излучение.

В итоге при моделировании процессов энергообмена между различными состояниями молекулы СО получается система динамических уравнений, в которой нужно учитывать несколько процессов для нескольких десятков колебательных уровней. Впервые решение этой системы было найдено Тринором, и с тех пор зависимость населенностей колебательных уровней от их номера называется триноровским распределением. Триноровские распределения для нескольких температур приведены на слайде. Видно, что зависимости имеют три ярко выраженные области. В двух из них выполняется условие , а в третьей, называемой областью плато, .

Ширина области плато зависит от температуры газа. При комнатной температуре она находится в диапазоне DV = 10-20, а при температурах жидкого азота DV = 5-40. По этой причине для лучшего охлаждения в газовую смесь добавляются газы, хорошо проводящие тепло: либо гелий, либо аргон.

В области плато нельзя говорить об инверсной населенности по колебательным состояниям, однако необходимо учесть наличие вращательной структуры. В силу того, что расстояние между вращательными уровнями молекулы СО меньше kT, при заселении колебательного состояния очень быстро устанавливается больцмановское распределение по соответствующим этому состоянию вращательным уровням. Тогда для разности населенностей соседних колебательно-вращательных уровней несложно получить следующее выражение:

. (17.6)

Если учесть, что , для соседних колебательных уровней , а для P-ветви разрешены переходы с изменением вращательного квантового числа на -1 (), то получим:

. (17.7)

Отметим, что для R-ветви инверсии не наблюдается. Такая ситуация называется частичной инверсной населенностью, которой оказывается достаточно для получения больших коэффициентов усиления и генерации в непрерывном режиме на колебательно-вращательных переходах в области плато триноровского распределения.

Генерация является каскадной в том смысле, что электрон, переходя последовательно вниз по колебательным уровням, многократно участвует в излучательных процессах. Существенно, что при колебательно-вращательном переходе увеличивается населенность нижнего лазерного уровня, который является верхним уровнем для следующего перехода с колебательным числом, на единицу меньшим. Одновременно с этим уменьшается населенность нижнего лазерного уровня с колебательным числом на единицу большим (иллюстрация каскадной генерации приведена на слайде).

Таким образом, вследствие каскадной генерации очень большая доля колебательной энергии переходит в энергию излучения. Это приводит к большим величинам КПД лазеров на окиси углерода.

В результате каскадной генерации в неселективном режиме лазер будет генерировать на целом ряде колебательно-вращательных линий, расположенных в области 2.5-7.5 мкм. Распределение интенсивностей по линиям для одного и того же колебательного перехода аналогично случаю СО2-лазера – в первую очередь будут наблюдаться переходы, соответствующие максимальной населенности вращательных уровней (для низкотемпературных лазеров J12-15). В селективном режиме можно выделять любую из колебательно-вращательных линий.

Помимо генерации на переходах между соседними колебательными уровнями (DV=1), которые называются переходами на основной частоте, возможна также генерация и на первом колебательном обертоне (DV=2). Поскольку вероятность обертонных переходов существенно меньше вероятности переходов на основной частоте, то на обертонных переходах заметно меньше и коэффициент усиления. Поэтому в условиях неселективной генерации обертоны подавляются основными частотами. В условиях селективной генерации получена генерация на первом колебательном обертоне. На втором обертоне коэффициент усиления настолько мал, что генерацию получить не удается.

Конструктивные и генерационные характеристики СО-лазера и СО2-лазера во многом близки. Наиболее простой конструкцией СО-лазера является схема с продольной прокачкой, для которой в непрерывном режиме достигаются мощности излучения в несколько десятков Вт/м при давлении газа порядка 100 Торр. Имеются также высокомощные электроионизационные ТЕА СО-лазеры, работающие в импульсных режимах, в том числе, в режиме синхронизации мод. СО-лазеры могут быть как с прокачкой газовой смеси, так и отпаянными. Кроме того, ведутся работы по созданию СО-лазеров с оптической накачкой.

В последние годы проводится много исследований, направленных как на достижение больших мощностей излучения прежде всего в импульсном режиме, так и на получение генерации как можно с более высоких колебательных уровней. В газовую рабочую смесь в этих целях добавляют, помимо гелия и аргона, различные компоненты, такие как молекулярные азот и кислород, ксенон. Имеются, в частности, данные о том, что добавление кислорода так влияет на процесс VV-обмента, что в некоторых диапазонах колебательных уровней CO существенно возрастает коэффициент усиления.

Одна из привлекательных особенностей СО-лазера заключается в том, что диапазон длин волн его генерации попадает в области прозрачности атмосферы, что обусловливает широкие области применения этого лазера. Однако промышленное использование СО-лазеров сильно ограничено необходимостью поддержания активной среды при низких температурах.

Тема 18. Молекулярные лазеры на электронных переходах

Основными лазерами, работающих на электронных переходах, являются лазеры, в которых рабочими газами являются молекулярный азот (азотный лазер) и молекулярный водород (водородный лазер). Схемы уровней N2 и H2 приведены на слайде.

При переходе между различными электронными состояниями основным правилом, определяющим вероятности переходов, является принцип Франка-Кондона. В соответствии с эти принципом наиболее вероятными переходами являются вертикальные переходы (без изменения межъядерного расстояния), происходящие в точках поворота.

В случае азотного лазера наиболее вероятными являются переходы с нулевого колебательного уровня основного Х-состояния на 0-й и 1-й колебательные уровни С-состояния. При этом вероятность переходов из Х-состояния в В-состояние практически равна нулю. Таким образом, между возбужденными уровнями С-состояния и уровнями В-состояния возникает инверсная населенность, причем переходы из С-состояния в В-состояния происходить могут.

Наиболее вероятными из них являются переходы с 0-го уровня С-состояния на 0-й уровень (длина волны 337.1 нм) и на 1-й уровень (357.7 нм) В-состояния, а также с 1-го уровня С-состояния на 0-й уровень В-состояния (315.9 нм). В каждом колебательном переходе, естественно, имеется при этом несколько вращательных компонент.

В водородном лазере наблюдается сходная картина. Однако для этого лазера возможно большее количество переходов из С-состояния в В-состояние. Поэтому диапазон длин волн генерации водородного лазера шире – примерно от 116 нм до 126 нм.

Одной из отличительной особенности возбужденных электронных состояний является их малое время жизни. Так, для азотного лазера это время составляет приблизительно 40 нс, а для водородного оно меньше 1 нс. Кроме того, времена жизни уровней В-состояния в обоих лазерах в несколько раз меньше времен жизни уровней С-состояния.

Отсюда вытекают два вывода. Во-первых, азотный и водородный лазер являются лазерами на самоограниченных переходах и могут работать только в импульсных режимах.

Во-вторых, вследствие малости времен жизни верхних лазерных уровней время существования инверсии составляет не более нескольких наносекунд. Соответственно, длительность импульса накачки не должна превышать это время. Но за эти времена излучение просто не успевает совершить двойной проход через резонатор. Поэтому говорить о наличии положительной обратной связи в таких лазерах не приходится, и эти лазеры фактически являются суперлюминесцентными.

Возбуждение верхних лазерных уровней в азотном и водородном лазерах осуществляется в электрическом разряде в процессах прямого столкновения молекул азота и водорода с электронами. Как правило, используется поперечный разряд. Плотность мощности накачки обычно составляет несколько кВт/см3 при давлении газа в несколько десятков Торр. В случае азотного лазера выходная мощность может достигать единиц МВт, в случае водородного – единиц кВт, частота следования импульсов может достигать сотен кГц.

Интересной особенностью лазеров на самоограниченнвх переходах является высокая величина коэффициента усиления. Азотный лазер может работать вообще без зеркал – его излучение представляет фактически усиленное спонтанное излучение. Тем не менее, для снижения пороговых величин накачки, а также для получения направленного излучения и уменьшения его расходимости одно зеркало все же устанавливается.

Конструкция азотного лазера настолько проста, что этот лазер может работать вообще на атмосферном воздухе. Одна из основных проблем в этом случае связана с большой вероятностью возникновения дугового разряда. Эта проблема решается за счет уменьшения длительности накачки до времен порядка одной наносекунды.

Еще одним классом молекулярных газовых лазеров, работающих на переходах между электронными состояниями, являются эксимерные лазеры.

Эксимером (от excited dimer – возбужденный димер) называется молекула, которая может существовать только в возбужденном электронном состоянии. Для этого необходимо, чтобы потенциальная энергия основного электронного состояния была отталкивательной, а возбужденного – связанной.

Пример приведен на слайде для эксимера Xe. Идея получения лазерной генерации в эксимерах заключается в том, что если создать в объеме достаточно большую их концентрацию, то между связанным (верхний лазерный уровень) и основным (нижний уровень) электронными состояниями имеется инверсная населенность, причем населенность нижнего уровня всегда равна нулю, поскольку при переходе в нижнее состояние молекула прекращает свое существование.

Основные особенности эксимерных лазеров заключаются в следующем. Во-первых, поскольку при переходе из связанного состояния в отталкивательное молекула сразу же разваливается на два атома и перестает существовать, это означает, что населенность нижнего лазерного уровня всегда равна нулю.

Во-вторых, наличие колебательно-вращательной структуры верхнего состояния и отсутствие таковой структуры у нижнего состояния приводит к тому, что при переходе стандартное понятие колебательно-вращательной структуры отсутствует. Поэтому переходы осуществляются в широких спектральных диапазонах: ширина полосы излучения может быть до 10 нанометров.

Кроме того, имеются эксимеры, у которых потенциальная кривая нижнего состояния не является чисто отталкивательной, а имеет неглубокий минимум. Переходы между верхним связанным и инжним слабо-связанным состояниями в этом случае так и называются связанно-связанными. Попав в нижнее состояние, молекула эксимера быстро диссоциирует либо спонтанно, либо при столкновении с частицей или стенкой, поскольку кинетической энергии соударения оказывается достаточно для преодоления малого потенциального барьера.

Эксимерные лазеры можно разделить на две группы. К первой группе относятся лазеры, полученные на эксимерах инертных газов (Xe2, Ar2, Kr2). Во второй группе эксимеры образуются при соединении атома инертного газа с атомом галогена (ArF, XeF, XeCl, KrCl, KrF).

Высокая способность инертных газов к образованию эксимеров обусловлена тем, что в возбужденном состоянии их свойства становятся похожими на свойства щелочных металлов. Поэтому они легко вступают в связь типа ионной, например, с атомами галогенов.

Рассмотрим схемы накачки и характеристики для одного представителя из каждой группы.

В Xe2-лазере процесс образования эксимера ксенона происходит в электрическом разряде в результате нескольких столкновительных процессов. Сначала при столкновении невозбужденного атома Xe с электроном происходит его ионизация:

. (10.12)

Далее происходит тройное столкновение иона ксенона с двумя невозбужденными атомами ксенона с образованием молекулярного иона:

. (10.13)

После этого происходит образование двух возбужденных атомов ксенона:

. (10.14)

И, наконец, в результате еще одного тройного столкновения возникает эксимер ксенона:

. (10.15)

Молекула может оказаться в двух связанных близкорасположенных состояниях. Времена жизни этих состояний соответственного равны 5 нс и 40 нс.

Наличие тройных столкновений приводит к тому, что давление ксенона должно быть достаточно большим – в Xe-лазере оно составляет порядка 10 атмосфер. Существенно, что при переходе в отталкивательное состояние отсутствует какая-либо колебательно-вращательная структура. Поэтому генерация происходит в широком диапазоне – примерно от 170 нм до 175 нм. Длительность накачки составляет не более 1 нс, выходная мощность излучения достигает сотен МВт.

В случае KrF-лазера газовая смесь состоит из атомов криптона и молекулярного фтора, а последовательность реакций, приводящая к образованию эксимера KrF, следующая:

, (10.16)

, (10.17)

а также:

, (10.18)

, (10.19)

. (10.20)

Видно, что последняя реакция является тройной. Экспериментально установлено, что эффективность ее существенно увеличивается в столкновениях с гелием:

. (10.21)

Поэтому в KrF-лазере в смесь добавляется атомарный гелий.

Излучательные характеристики всех эксимерных лазеров достаточно близки. Отличаются только длины волн генерации, которые в заключении данного раздела представлены в таблице.

Лазер	Длина волны, нм	Лазер	Длина волны, нм
Xe2	172.5	ArF	192.0
Kr2	145.4	KrCl	222.0
Ar2	126.5	XeF	352.0
KrF	249.0	XeCl	308.0

Привлекательность эксимерных лазеров обусловлена как возможностью получения высоких мощностей излучения в УФ диапазоне, так и широким спектральным диапазоном излучения с плавной перестройкой частоты излучения во всем этом диапазоне.

Тема 19. Лазеры на красителях

Перейдем теперь к рассмотрению лазеров, в которых активная среда находится в жидком состоянии. Этот тип лазеров получил название лазеров на красителях, поскольку в качестве активной среды в них выступают растворы многоатомных органических молекул – красителей, получивших это название вследствие наличия у них широких полос поглощения и люминесценции в видимой области спектра, а также в ближнем УФ и ИК диапазонах.

Первые лазеры на красителях появились в середине 60-х годов 20-века.

Количество атомов в различных красителях колеблется от десятков до нескольких сотен. В красителях содержатся такие группы, как –NO2, –N=N–, =CO, –NH2, –OH, которые ответственны за их окраску.

В настоящее время лазерная генерация получена более чем на трехстах красителей.

Теоретическое построение потенциальных поверхностей молекул, состоящих из столь большого количества атомов, и обладающих большим количеством электронных, колебательных и вращательных состояний, является невозможным ни в каком приближении: число колебательных степеней свободы красителей исчисляется сотнями. Волновые функции для такого количества степеней свободы получить нельзя. Однако существуют упрощенные модели, которые позволяют довольно точно описать возможные состояния таких молекул и переходы между этими состояниями.

Энергетическая структура состояний красителя представлена на слайде, где вдоль горизонтальной оси отложена так называемая конфигурационная координата, являющаяся аналогом межъядерного расстояния в многомерном конфигурационном пространстве, а вдоль вертикальной оси отложены энергии состояний. Данная энергетическая структура в чем-то сходна с энергетической структурой двухатомной молекулы в том смысле, что все состояния можно разделить на электронные, колебательные и вращательные. Расстояния между электронными состояниями составляют порядка 104 см-1. Эти состояния делятся на синглетные S-состояния (полный спин электронов равен нулю) и триплетные Т-состояния (полный спин равен единице), переходы между ними делятся на разрешенные и запрещенные, к ним применим принцип Франка-Кондона в том смысле, что переходы должны быть вертикальными, а каждое состояние имеет свою колебательно-вращательную структуру.

Вследствие очень большого количества степеней свободы расстояние между отдельными колебательно-вращательными состояниями столь мало (максимальное расстояние между соседними вращательными уровнями не превышает 10 см-1, и намного чаще составляет менее 1 см-1), что имеет смысл говорить о практически непрерывной полосе поглощения в пределах одного электронного состояния.

Рассмотрим процессы поглощения и распада возбужденных состояний, на основании чего станет ясен механизм образования инверсной населенности между различными уровнями энергии.

В состоянии термодинамического равновесия все электроны находятся в основном S0-состоянии и распределены практически непрерывно внутри него в соответствии со статистикой Больцмана. Правилами отбора разрешены излучательные переходы без изменения полного спина. Поэтому оказываются разрешенными синглет-синглетные и триплет-триплетные переходы. Тогда при соответствующей частоте электромагнитного поля оказываются возможными переходы из S0-состояния в S1-состояние. Ширина спектра поглощения при этом будет сравнима с шириной S1-состояния, которая может составлять 103-104 см-1. Далее происходят два основных процесса. В результате спонтанного излучения электроны переходят вновь в S0-состояние и одновременно с этим они релаксируют внутри S1-состояния. Радиационное время жизни S1-состояния составляет наносекунды, а времена релаксации на 3-4 порядка меньше. Поэтому сначала происходит установление термодинамического равновесия внутри S1-состояния (электроны “скапливаются” в самом его низу), и только потом электроны с испусканием фотона переходят в S0-состояние. Вероятности переходов подчинены принципу Франка-Кондона.

Можно показать (это правило называется законом Стокса или законом зеркальной симметрии, и его обсуждение выходит за рамки данного курса), что в соответствии с ним максимальная вероятность достигается для переходов, попадающих в верхнюю часть S1-состояния. Поэтому спектр флуоресценции будет смещен в область меньших частот относительно спектра поглощения (рисунок на слайде). Оказавшись в S0-состоянии, электроны быстро релаксируют вниз в соответствии с больцмановским распределением.

Теперь становится ясным, между какими состояниями можно ожидать инверсной населенности. В самом деле, тот уровень энергии, на котором оказался электрон после релаксации внутри S1-состояния, можно считать верхним лазерным уровнем, поскольку тот уровень, на который он переходит в результате спонтанного излучения, практически не населен. Таким образом, видно что схема накачки в лазерах на красителях практически является аналогом классической четырехуровневой системы (схема накачки с указанием соответствующих уровней приведена на слайде).

Существенно, что приведенные рассуждения справедливы как для монохроматического, так и немонохроматического внешнего электромагнитного поля. Это обстоятельство является важным для выбора наиболее подходящего источника накачки.

Помимо рассмотренного, существуют однако и другие механизмы ухода электронов из S1-состояния. Во-первых, частоты испущенных фотоном могут оказаться резонансными, например, частотам переходов в S2-состояние. По этой причине не все красители оказываются подходящими в качестве активной среды для лазеров. Во-вторых (и этот процесс неизбежен), часть электронов может перейти из S1-состояния в триплетное Т1-состояние. Этот переход может быть как излучательным (он запрещен только в приближении электрического диполя), так и безызлучательным. Во втором случае этот переход обусловлен столкновительными процессами и называется синглет-триплетной конверсией. Таким же образом могут происходить переходы из Т1-состояния в S0-состояние (на слайде эти переходы обозначены волнистыми стрелками).

Накопление электронов в Т1-состоянии является паразитным процессом, поскольку очень часто разрешенные правилами отбора триплет-триплетные переходы Т1-Т2 совпадают по частотам со спектром люминесценции красителя, что сильно препятствует генерации. Кроме того, переход электрона в триплетное состояние сопровождается уменьшением населенности верхнего лазерного уровня и падением коэффициента усиления. По этой причине часть красителей может работать только в импульсном режиме, когда длительность импульса накачки должна быть меньше по сравнению с эффективным временем накопления электронов в Т1-состоянии.

Для опустошения Т1-состояния можно принимать ряд мер. Одной из них является добавление в краситель компонентов, при столкновении с которыми скорость безызлучательной релаксации из Т1-состояния в S0-состояние увеличивается. Этот процесс называется тушением триплетного состояния и в ряде случаев бывает очень эффективным. Однако необходимо учитывать при этом и возможность тушения нижних уровней S1-состояния, что наряду с синглет-триплетной конверсией может приводить к уменьшению квантового выхода люминесценции. Одними из наилучших тушителей триплетного состояния являются кислород и некоторые непредельные углеводороды.

Ширина спектра генерации лазеров на красителях определяется шириной спектров их люминесценции. Впервые генерация была получена на красителе с названием Родамин 6G, растворенном в этиловом спирте, в спектральном диапазоне 570 нм - 650 нм. Перестройка длины волны излучения может осуществляться различными способами. В резонатор можно поместить либо дифракционную решетку, либо призму, либо двулучепреломляющий фильтр. Кроме того, для осуществления одномодового режима генерации можно использовать интерферометр Фабри-Перо и кольцевые резонаторы.

В качестве источников накачки для импульсного режима используются либо немонохроматические импульсные лампы, либо лазерные источники – рубиновый лазер на второй гармонике, гармоники неодимового лазера, эксимерные лазеры, азотный лазер. Длительность импульса накачки не должна превышать, как правило, нескольких микросекунд. Для непрерывного режима генерации одни из наилучших результатов получаются при использовании аргонового лазера.

Так как большинство лазеров на красителях обладают исключительно высоким коэффициентом усиления малого сигнала, требуется лишь небольшой объем активной среды. Однако поглощение интенсивного излучения и последующий нагрев малого объема красителя, а также быстрое заселение триплетного состояния приводят к необходимости непрерывной и быстрой замены вещества в рабочем объеме. Если этого не делать, происходит термическое разложение красителя, что увеличивает, в свою очередь, потери излучения в системе.

В лазерах на красителях используют струю раствора красителя, которая из специально сконструированного сопла выпускается в воздух, где образует ровный ламинарный слой, через который и проходит излучение лазера накачки.
На слайде показаны сопло и коллектор, который собирает раствор для возвращения его в систему циркуляции. Чтобы возник ламинарный режим истечения из сопла, в качестве растворителя часто используют этиленгликоль, т.е. вещество с очень высокой вязкостью.

Схема накачки аргоновым лазером в качестве примера приведена на слайде. Луч аргонового лазера фокусируется в пятно размером порядка 10 мкм в области пересечения со струей красителя примерно такого же диаметра. Для того, чтобы излучение лазера на красителе было линейно поляризованным, плоскость, в которой течет струя красителя, находится под углом Брюстера по отношению к оси резонатора.

Широкие полосы люминесценции красителей позволяют осуществлять генерацию в лазерах на красителях в режиме синхронизации мод. В режиме пассивной синхронизации мод при непрерывной накачке получены длительности импульсов порядка пикосекунд.

В заключение перечислим основные использующиеся в настоящее время красители. Первую группу составляют так называемые ксантеновые красители, люминесцирующие, в основном, в видимой области спектра. Краситель Родамин 6G относится к этой группе. Вторая группа красителей – кумариновые красители – люминесцирует в более коротковолновом спектральном диапазоне, приблизительно от 400 нм до 500 нм. В ультрафиолетовой области, главным образом, используются сцинтилляторные красители, люминесцирующие в областях длин волн меньше 400 нм. И, наконец, в ИК диапазоне в спектральной области от 700 нм до 1.5 мкм используются полиметиновые красители.

Тема 20. Твердотельные лазеры: рубиновый и неодимовый лазеры

При переходе к конденсированному состоянию вещества концентрация частиц увеличивается на несколько порядков по сравнению с газом, что приводит к большим величинам коэффициента усиления и, как следствие, к большим выходным мощностям излучения твердотельных лазеров.

Общими для твердотельных лазеров являются следующие свойства. В твердотельных лазерах активной средой служит либо диэлектрический кристалл, либо стекло. Активными центрами в них являются ионы переходных металлов, внедренные в кристаллическую матрицу в виде примесей. Переходы, на которых осуществляется лазерная генерация, запрещены в приближении электрического диполя, и времена жизни верхних лазерных уровней составляют единицы и десятки миллисекунд. Влияние кристаллического поля решетки кристалла на энергетические состояния примесных ионов достаточно слабое, поскольку переходы осуществляются между энергетическими состояниями внутренних оболочек. Вследствие этого процессы безызлучательной релаксации проявляются слабо.

Исторически генерация была впервые получена в рубиновом лазере в 1960 г. Активной средой в этом лазере является диэлектрический кристалл Al2O3 (корунд), в котором часть ионов Al3+ замещены на ионы Cr3+ (доля ионов хрома составляет порядка 0.05 %). В природном рубине доля ионов хрома на порядок выше, поэтому для лазеров кристаллы специально выращиваются. Наличие хрома придает кристаллу розовый цвет из-за наличия у него полос поглощения в фиолетовой и зеленой спектральных областях (природный рубин имеет ярко-пурпурную окраску). Накачка и генерация в рубиновом лазере осуществляется именно на переходах между энергетическими состояниями ионов хрома, находящихся в электрическом поле кристаллической решетки корунда.

Схема энергетических состояний иона хрома в Al2O3 приведена на слайде. Основным состоянием является 4А2 (обозначения состояний здесь даются в приближении LS-связи). Наиболее высокорасположенными уровнями энергии являются состояния 4F1 и 4F2, которые вследствие эффекта Штарка расщеплены на ряд близкорасположенных уровней, давая широкие полосы поглощения в зеленой и фиолетовой спектральных областях с центрами на длинах волн 0.55 мкм и 0.42 мкм соответственно. Попав из основного состояния в одно из состояний 4F1 или 4F2, электрон быстро за времена порядка пс безызлучательно релаксирует в состояния или . Расстояние между уровнями и составляет 29 см-1, а переходы из них в основное состояние запрещены в приближении электрического диполя. Это приводит к быстрому установлению термодинамического равновесного распределения населенностей по уровням и , причем населенность уровня лишь ненамного меньше населенности уровня . Переходы из состояний и в основное состояние в приближении электрического диполя запрещены, что приводит к большим временам жизни этих состояний, попадающих в миллисекундный диапазон.

Таким образом видно, что в рубине выполняются все необходимые условия для реализации трехуровневой схемы накачки. Генерация происходит на переходах 4А2 (длина волны 692.8 нм) и 4А2 (длина волны 694.3 нм). Из-за большей населенности уровня генерация в свободном режиме возникает на переходе 4А2. Для генерации на переходе 4А2 можно использовать селективные резонаторы.

В рубиновом лазере используется оптическая накачка. В качестве источников накачки используются импульсные ксеноновые или ртутные лампы, широкие спектры излучения которых (ширины полос излучения составляют порядка 100 нм) перекрывают сине-зеленую область спектра. Эффективная температура ламп достигает 7000 К в зеленой области спектра и 10000 К в фиолетовой. Активная среда представляет собой цилиндрический рубиновый стержень диаметром 2-3 см (при дальнейшем увеличении диаметра излучение накачки будет поглощаться активной средой и не проникнет в центр стержня). Длина стержня может быть разной – от 5 см до 30 см. Конструктивно лампа накачки может быть выполнена либо в виде спирали, “обернутой” вокруг стержня, либо в виде стержня, расположенного вдоль фокальной оси отражающего эллиптического цилиндра (в последнем случае рубиновый стержень располагается вдоль второй фокальной оси, конструкции приведены на слайде).

Величина максимальной концентрации ионов хрома в рубине определяется двумя факторами. Во-первых, увеличение концентрации ионов хрома приводит к увеличению интенсивности тушения люминесценции (безызлучательная релаксация верхних лазерных уровней). Во-вторых, из-за различий радиусов хрома и алюминия рост концентрации ионов хрома приводит к увеличению внутренних механических напряжений в кристалле.

Рубиновые лазеры работают, как правило, в импульсном режиме. Вследствие того, что рубин обладает высокой теплопроводностью, оказывается возможным импульсно-периодический режим работы с высокой частотой повторения импульсов при водяном охлаждении активной среды.

Ширина линий усиления составляет порядка 10 см-1. Уширение линий усилений складывается из однородного и неоднородного. Однородное уширение обусловлено взаимодействием ионов хрома с фононами кристаллической решетки. Неоднородное уширение возникает из-за пространственной неоднородности внутрикристаллического электрического поля решетки. Эта неоднородность обусловлена несовершенством искусственно выращенных кристаллов. В высококачественных кристаллах рубина вклад неоднородного уширения в общую ширину линии усиления может быть заметно меньше однородного. Такие лазеры могут работать в непрерывном режиме при использовании в качестве накачки ртутных ламп высокого давления.

Большая ширина линии усиления позволяет рубиновому лазеру работать в режимах модуляции добротности и синхронизации мод. В последнем случае выходная мощность импульса излучения может достигать гигаватт при длительности импульса порядка 10 пс. В режиме свободной генерации длительность одиночного импульса составляет порядка 1 мс.

Основным недостатком рубинового лазера является трехуровневая схема накачки. Поэтому в настоящее время рубиновые лазеры используются редко. Преимущество отдается в первую очередь неодимовым лазерам, работающим по четырехуровневой схеме.

В неодимовом лазере генерация осуществляется на переходах трехвалентного иона неодима, легированного в матрицу, которая бывает двух типов. В первом случае матрицей является диэлектрический кристалл Y3Al5O12 (иттрий алюминиевый гранат или сокращенно YAG), в котором часть ионов Al3+ замещены на ионы Nd3+ (доля ионов неодима составляет порядка 1.5 %). Такой лазер обозначается Nd:YAG (неодимовый лазер на гранате). Во втором случае матрицей являются аморфные структуры – фосфатные или силикатные стекла. Такие лазеры называются неодимовыми лазерами на стеклах. Преимущество использования стекол заключается в том, что в них удается легировать существенно большие концентрации неодима – до 10 %. Однако при этом увеличивается степень неоднородного уширения спектральных линий, что приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Схема уровней иона неодима представлена на слайде. Оптическая накачка приводит к переходам из основного состояния 4I9/2 в несколько возбужденных состояний, которые, так же как и в случае рубинового лазера, представляют собой широкие полосы, обусловленные большим количеством близко расположенных перекрывающихся уровней. Центры основных полос поглощения приходятся на длины волн 0.73 мкм и 0.8 мкм. Электроны из возбужденных состояний быстро за доли микросекунд безызлучательно релаксируют в состояние 4F3/2. Этот уровень является метастабильным, поскольку переходы с него в нижележащие состояния запрещены в электродипольном приближении. Среди всех излучательных каналов релаксации наибольшим сечением обладает переход 4F3/24I11/2, на котором и возникает лазерная генерация на длине волны 1.064 мкм. Попав на нижний лазерный уровень, электрон быстро безызлучательно релаксирует в основное состояние, так что его населенность остается всегда практически равной нулю.

Таким образом, неодимовый лазер работает по классической четырехуровневой схеме накачки. В Nd:YAG лазере линия уширена, преимущественно, однородно с шириной 6.5 см-1, что несколько меньше, чем у рубинового лазера, однако тем не менее этой ширины достаточно для эффективного использования неодимового лазера в режимах модуляции добротности и синхронизации мод. В лазере на стекле уширение линии неоднородное с шириной порядка 200 см-1.

Необходимо отметить, что на самом деле как верхний, так и нижний уровень неодимового лазера расщеплены на ряд компонентов, расстояние между которыми составляет несколько десятков обратных сантиметров. Поэтому в селективном резонаторе можно получать генерацию и на других длинах волн перекрывающих диапазон 1.05 мкм – 1.1 мкм. Кроме того, можно получить генерацию и на переходе 4F3/24I13/2 с длиной волны 1.32 мкм.

Как уже упоминалось, в неодимовых лазерах на стекле ширина лазерной линии существенно больше по сравнению с гранатом – примерно в 30 раз. Соответственно, в 30 раз меньше сечения индуцированных переходов. Большая ширина линии позволяет включать неодимовые лазеры в режиме синхронизации мод с очень короткими импульсами, что безусловно является преимуществом стеклянной матрицы (в режиме модулированной добротности параметры излучения лазеров на стеклах и на грагате приблизительно одинаковы). Однако теплопроводность стекол заметно меньше теплопроводности граната, что приводит к возникновению проблем, связанных с нагревом активной среды.

Модовая структура неодимовых лазеров на стекле более богата по сравнению с лазерами на гранате.

Неодимовые лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах генерации. В качестве источников накачки используются ксеноновые и криптоновые лампы. Конструктивно системы накачки такие же, как и в рубиновых лазерах. Размеры стержней в неодимовых и рубиновых лазерах примерно одинаковы. Выходные параметры излучения в неодимовых лазерах следующие. В Nd:YAG лазере в непрерывном режиме генерации мощность излучения может достигать сотен ватт, в импульсно-периодическом режиме свободной генерации мощность импульса может достигать кВт при частоте следования импульсов в несколько десятков Гц, в режиме синхронизации мод при длительности импульса порядка 10 пс мощность возрастает до ГГц. В лазере на стекле в режиме синхронизации мод можно получить длительности импульсов в несколько раз меньше, что обусловлено более широкой линией усиления.

Тема 21. Сенсибилизация, частотно-перестраиваемые твердотельные лазеры

Увеличение эффективности накачки верхнего лазерного уровня в неодимовом лазере может быть достигнуто за счет использования явления сенсибилизации – передачи энергии возбуждения от одной частицы другой частице. Для этого ионами неодима активируются различные кристаллические матрицы-гранаты – иттрий-алюминиевый, галлий-скандий-гадолиниевый, гадолиний-скандий-алюминиевый гранаты.

Рассмотрим в качестве примера галлий-скандий-гадолиниевый гранат (химическая формула Gd3Sc2Ga3O12). В эту матрицу активируются ионы трехвалентного неодима, которые замещают ионы гадолиния, и ионы трехвалентного хрома, которые замещают ионы скандия и галлия. Тот факт, что ионные радиусы хрома, скандия и галлия близки, позволяет вводить в галлиевую матрицу большие концентрации ионов хрома.

Схемы энергетических состояний ионов хрома и неодима в такой матрице представлены на слайде (сокращенная аббревиатура такого лазера Nd:Cr:GSGG). Излучение сине-зеленой спектральной области, в которой поглощение иона неодима незначительно, поглощается ионами хрома за счет переходов из основного состояния в состояния 4Т1 и 4Т2. Далее электроны из состояния 4Т1 быстро релаксируют в состояние 4Т2. После этого происходит излучательная релаксация (люминесценция) в основное состояние иона хрома 4А2 в широком диапазоне длин волн, перекрывающих полосы поглощения неодима на переходах с центральными длинами волн 0.73 мкм и 0.8 мкм.

Таким образом, в результате поглощения люминесцентного излучения ионов хрома (донор) ионами неодима (акцептор) происходит дополнительная накачка верхнего лазерного уровня неодимового лазера излучением не только красной области спектра, но и сине-зеленой.

Скорость передачи энергии от ионов донора к ионам акцептора определяется величиной перекрытия их спектров, а также величинами сечений индуцированных переходов.

КПД накачки в Nd:Cr:GSGG лазере приблизительно в 3 раза превышает КПД Nd:YAG лазера на длине волны излучения иона неодима.

Одним из основных недостатков галлиевых гранатов, ограничивающих возможность их использования, является неравномерное распределение тепла при оптической накачке, что приводит к возникновению наведенных тепловых линз и эффекта двулучепреломления в активной среде.

Рассмотрим твердотельные лазеры, в которых длина волны излучения может непрерывно перестраиваться в широком спектральном диапазоне, достигающем сотни нанометров. К таким лазерам относятся, прежде всего, лазер на александрите и титан-сапфировый лазер. Для объяснения принципа их работы необходимо учитывать тот факт, что энергии состояний активных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки той матрицы, куда они внедрены, являются функциями так называемых конфигурационных координат, под которыми понимаются смещения ионов в решетке относительно положения равновесия (ионы в узлах кристаллической решетки могут колебаться, что приводит к энергетической структуре уровней, очень похожей на электронные уровни молекул).

Другими словами, влияние внутрикристаллических полей на энергетические состояния примесных ионов проявляется в том, что при колебаниях ионов в узлах кристаллической решетки энергия состояния (электронная энергия) зависит от пространственного положения иона. Минимальное значение энергии соответствует равновесному (несмещенному) положению. В такой потенциальной яме появляется колебательная структура, и переходы между различными энергетическими состояниями становятся электронно-колебательными, для которых справедлив принцип Франка-Кондона.

Частоты электронно-колебательных переходов попадают, как правило, в красную область видимого диапазона, либо в ближний ИК диапазон. Вследствие большого количества колебательных степеней свободы, и достаточно большой ширины колебательных уровней, обусловленной электрон-фононным взаимодействием, электронно-колебательные переходы дают штрокие полосы как в спектрах поглощения, так и в спектрах люминесценции.

Рассмотрим лазер на александрите. Активной средой в этом лазере является диэлектрический кристалл BeAl2O4, в котором часть ионов алюминия замещены ионами трехвалентного хрома (концентрация ионов хрома составляет порядка 0.04-0.1 %).

Привлекательность александрита заключается в его высокой температуре плавления, составляющей 1870 0С, высокой плотности и прочности. Помимо этого, теплопроводность александрита примерно в 2 раза превышает теплопроводность граната. Александрит обладает высоким оптическим качеством вплоть до концентраций ионов хрома до 0.5 по от концентрации ионов алюминия. При этом оптическая прочность александрита почти такая же, как и у рубина.

Схема энергетических состояний иона хрома в такой матрице представлена на слайде как функция конфигурационной координаты. Основное отличие от рубинового лазера заключается в том, что в лазере на александрите расстояние DE между уровнями энергий состояний 2E и 4Т2 в несколько раз меньше (800 см-1 по сравнению с 2300 см-1). Поэтому в лазере на александрите при воздействии тем же излучением накачки, что и в рубиновом лазере, состояние 4Т2 оказывается существенно заселенным (между состояниями 2E и 4Т2 в том и другом лазерах устанавливается термодинамическое равновесие, однако в рубиновом лазере при этом практически все электроны находятся в состоянии 2E). Это приводит к тому, что лазерная генерация происходит на излучательных переходах из состояния 4Т2 в состояние 4А2. Учтем теперь, что состояния 4Т2 и 4А2, имеющие минимумы энергии при определенных значениях конфигурационных координат, должны обладать дискретным набором колебательных уровней энергии и, кроме того, минимум энергии состояния 4Т2 смещен в область больших значений конфигурационной координаты.

Тогда в соответствии с принципом Франка-Кондона наиболее вероятными будут переходы с заселенных колебательных уровней состояния 4Т2 на незаселенные уровни основного состояния 4А2. При этом расстояние между получаемыми спектральными линиями настолько малы, что они перекрываются, давая фактически непрерывный спектр излучения в диапазоне 700-800 нм.

Длинноволновая граница спектра излучения определяется процессами, похожими на процессы синглет-синглетного и триплет-триплетного поглощения в лазерах на красителях.

Существенно, что состояние 2E является метастабильным, что позволяет накапливать в этом состоянии большую концентрацию электронов. Это, в частности, является благоприятным фактором для возможности генерации лазера на александрите в режиме модулированной добротности.

Полосы поглощения иона хрома в александрите, так же как и в рубине, попадают в синюю и зеленую области спектра. Поэтому для накачки лазера на александрите можно использовать те же самые лампы. Эффективное время жизни состояния 4Т2 увеличивается вследствие наличия долгоживущего состояния 2E, являющегося фактически резервуаром энергии для состояния 4Т2, и может быть определено из соотношения:

, (21.1)

где tE и tT – времена жизни состояний 2E и 4Т2, равные 1.5 мс и 6.6 мкс соответственно, DE = 800 см-1 - расстояние между уровнями 2E и 4Т2.

При комнатной температуре t=200 мкс. Такое время жизни означает, в частности, что лазер на александрите может работать в режиме модулированной добротности. Кроме того, определяемая этим эффективным временем жизни ширина линии генерации велика, что приводит к существенно меньшему сечению вынужденного перехода и, следовательно, к меньшему коэффициенту усиления по сравнению с неодимовым лазером на гранате (приблизительно в 60 раз). С ростом температуры сечение излучения увеличивается, поскольку при этом населенность состояния 4Т2 растет быстрее, чем населенность состояния 2E. По этой причине лазер на александрите часто включается при повышенных температурах, составляющих порядка 100 0С.

Энергетические характеристики лазера на александрите следующие.

В режиме свободной генерации энергия одиночных импульсов при использовании в качестве источника накачки ксеноновой лампы-вспышки составляет 5-10 Дж.

В импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов в несколько десятков герц мощность импульса может достигать 100 Вт.

В режиме модуляции добротности длительности импульсов составляют десятки наносекунд.

Вообще говоря, проведенное рассмотрение показывает, что энергетическая структура уровней одного и того же иона (например, иона хрома) сильно зависит от того, в какую матрицу он внедрен. В частности, в кристаллических матрицах галлиевых гранатов малый энергетический зазор между состояниями 2E и 4Т2 иона хрома приводит к дополнительному заселению состояния 4Т2 при оптической накачке. Это обусловливает увеличение коэффициента усиления в достаточно широком диапазоне длин волн.

В различных типах галлиевых гранатов, активированных ионами хрома, получена генерация в диапазоне 700-900 нм с возможностью плавного изменения длины волны излучения.

Одним из основных преимуществ рассмотренных лазеров является их работа по четырехуровневой схеме, обусловленной как быстрой колебательной релаксацией по уровням возбужденного электронного состояния, так и выполнением принципа Франка-Кондона для электронных переходов.

Еще большую ширину спектра излучения имеет титан-сапфировый лазер, излучающий в диапазоне приблизительно 650-1000 нм. В этом лазере ионы титана легируются в кристаллическую решетку Al2O3. На этом лазере получены в последнее время наиболее короткие и мощные импульсы излучения – при длительности импульса в десятки фемтосекунд мощность импульса достигает 1014-1015 Вт.

Фемтосекундный титан-сапфир лазер является мощным, широко перестраиваемым источником излучения для исследований с фемтосекундным временным разрешением. Короткие лазерные импульсы возникают в режиме синхронизации мод, основанный на изменении пространственного профиля гауссова пучка в результате самофокусировки, вызванной эффектом Керра в кристалле титан-сапфир.

Тема 22. Химические лазеры

К химическим лазерам относятся такие лазеры, в которых инверсная населенность достигается за счет энергии, выделяемой в результате прохождения экзотермической химической реакции. Эти реакции могут быть нескольких типов:

A+BAB – реакция синтеза,

ABCA+BC – реакция разложения,

A+BCAB+C – реакция замещения.

В любом из рассмотренных вариантов энергия, которая выделяется в результате реакции, должна пойти на возбуждение колебательных или электронных состояний молекулы - продукта реакции.

Если экзотермическая реакция происходит между веществами, находящимися в газовой фазе, то наиболее эффективным каналом высвобождаемой тепловой энергии является преобразование ее в энергию колебательно-вращательных состояний продукта реакции. Это объясняется прежде всего тем, что скорости колебательно-вращательной релаксации в молекулах существенно меньше по сравнению со скоростями электронной релаксации. Кроме того, в результате реакций в процессе образования новых молекул перестраиваются химические связи, и высвобождаемая энергия идет на перестраивание этих химических связей через колебательные состояния.

Таким образом, в химических лазерах генерация осуществляется на переходах между колебательно-вращательными состояниями основного электронного состояния, а активная среда находится в газовой фазе.

Для того, чтобы между какой-либо парой уровней возникла инверсная населенность, необходимо, чтобы скорости колебательной релаксации между этими уровнями существенно отличались: скорость релаксации верхнего лазерного уровня должна быть меньше, чем нижнего.

В качестве молекул активной среды необходимо использовать наиболее простые (желательно, двухатомные) молекулы, обладающие минимальным количеством колебательных степеней свободы. В противном случае высвобождаемая в химической реакции энергия будет идти на возбуждение множества состояний, и инверсную населенность между какой-нибудь парой уровней получить сложно.

Также немаловажным обстоятельством, существенно повышающим эффективность химических реакций, является возможность осуществления так называемых цепных реакций, когда один из продуктов реакции может повторно вступать в химическую реакцию, приводящую к образованию возбужденной молекулы активной среды, например:

A+B2AB*+B

A2+BAB*+A и т. д.

Перейдем к рассмотрению конкретных представителей химических лазеров.

В HF-лазере инверсная населенность возникает между колебательными уровнями молекулы HF при реакции замещения между атомарным фтором и молекулой водорода, находящимися в газовой фазе:

F+H2HF*+H. (22.1)

В результате этой реакции выделяется теплота приблизительно 32 ккал/моль, причем приблизительно 70% от нее идет на возбуждение колебательных состояний фторида водорода. Заселенными оказываются 2-й и 3-й колебательные уровни основного электронного состояния. Вследствие различий в скоростях термодинамической релаксации разных колебательных состояний в течение определенного периода времени населенность 2-го колебательного уровня приблизительно в 3 раза превышает населенность 1-го уровня, то есть на переходе 21 возникает большая инверсная населенность.

Еще большее количество теплоты (98 ккал/моль) выделяется в реакции атомарного водорода и молекулярного фтора:

F2+HHF*+F. (22.2)

При этом в молекуле HF возбуждаются колебательные уровни вплоть до 10-го. В реальном лазере реакции (22.1) и (22.2) протекают одновременно, и атомы фтора и водорода, образующиеся в одной из реакций, далее принимают участие в другой реакции.

В итоге генерация происходит на нескольких колебательных переходах в диапазоне уровней от 1-го до 6-го в спектральном диапазоне от 2.7 мкм до 3.3 мкм. Характер генерации при этом практически такой же, что и в газовом CO-лазере: наблюдается колебательно-вращательная структура, каскадная генерация, генерация на основной частоте и на обертоне, могут реализовываться условия для частичной инверсии между соседними колебательными уровнями (инверсия достигается между некоторыми вращательными состояниями соседних колебательных уровней, и генерация тогда возникает на линиях P-ветви).

Вообще говоря, процессы релаксации возбужденных состояний в HF-лазере (равно как и в других молекулярных химических лазерах) аналогичны рассмотренным ранее процессам для молекулярных лазеров, работающих на колебательных переходах – происходят процессы VV-обмена и VT-релаксации, в возбужденных колебательных состояниях очень быстро устанавливается равновесное распределение по вращательным состояниям.

Способы получения исходных компонентов для начала химических реакций могут быть разными. Например, атомарный фтор может быть получен при столкновениях молекулы SF6 (или NF3, UF6) с электроном в электрическом разряде. Можно использовать также в исходной смеси молекулярные фтор и водород, диссоциация которых на атомы происходит в результате облучения УФ излучением:

H2(F2)+hn2H(F). (22.3)

Однако использование смеси, состоящей только из молекул фтора и водорода, нежелательно вследствие ее высокой взрывоопасности. Поэтому в исходные газовые смеси обычно добавляется молекулярный кислород.

В качестве источников УФ излучения можно использовать различные УФ лампы (например, кварцевые), а также искровые разряды. Эффективность УФ диссоциации выше по сравнению с использованием электрического разряда, однако в последнем случае удается достигать заметно более коротких времен диссоциации (диссоциация исходной смеси в электрическом разряде возможна за времена порядка наносекунд, тогда как при УФ диссоциации это происходит за микросекунды). Поэтому электрический разряд используется, как правило, в импульсных лазерах, а УФ воздействие чаще применяется для обеспечения работы лазера в непрерывном режиме.

HF-лазер отличается большими величинами энергосъема с единицы объема активной среды – сотни джоулей с литра при атмосферном давлении газовой смеси.

Наряду с HF-лазером, сходные характеристики имеют DF-, HCl, HBr-, DF-лазеры, перекрывающие ближний ИК диапазон в области длин волн 3.5 - 5 мкм. Наибольшая выходная мощность получена в DF-лазере – до нескольких МВт в непрерывном режиме.

Еще одним примером химического лазера является фотодиссоциационный йодный лазер, в котором инверсная населенность в атомарном йоде достигается в реакции фотолиза молекулы CF3I:

CF3I+hnI*+CF3. (22.4)

В результате этой реакции йод образуется в состоянии 2P1/2, откуда релаксирует в состояние 2P1/2 с испусканием фотона на длине волны 1.315 мкм. Источником излучения для этой реакции могут служить немонохроматические кварцевые лампы, поскольку поглощение проходит в широкой спектральной полосе, обусловленной множеством энергетических состояний молекулы CF3I, имеющей большое количество колебательных степеней свободы. Также могут использоваться открытые разряды.

Вследствие наличия релаксационных процессов реакция фотодиссоциации должна протекать быстро. Поэтому накачка включается в импульсном режиме.

Основным достоинством данного лазера является возможность обеспечения фотодиссоциации больших объемов CF3I, что приводит к высоким величинам энергосъема.

Кроме молекулы CF3I, могут использоваться молекулы C3F7I и CH3I.

Еще одним примером химического лазера является DF-CO2 лазер, излучающий на тех же самых переходах, что и рассмотренный ранее CO2 лазер. Однако в данном случае механизм создания инверсной населенности принципиально иной и состоит в прохождении следующей последовательности реакций:

Сначала смешиваются молекулы оксида азота и фтора, в результате чего происходит образование атомарного фтора:

NO+F2 NOF+F. (22.5)

Далее фтор взаимодействует с молекулярным дейтерием, и происходит образование молекулы DF в возбужденном колебательном состоянии:

F+D2 DF*+D. (22.6)

Образовавшийся атом дейтерия может провзаимодействовать с непрореагировавшим в реакции (22.5) молекулярным фтором также с образованием возбужденной молекулы DF:

D+F2 DF*+F. (22.7)

Наконец, на последней стадии к DF подмешивается двуокись углерода, и в результате резонансной передачи энергии заселяется верхний лазерный уровень CO2:

DF*+ CO2 DF+ CO2*. (22.8)

На слайде приведена конструкция такого лазера. На выходе проточной емкости, в которой происходят химические реакции, устанавливаются зеркала резонатора лазера. Эта схема близка к схеме газодинамического лазера с поперечным протоком активной среды. Мощность этого лазера может достигать нескольких сотен ватт при расходе веществ порядка одного грамма в секунду.

Основной интерес к химическим лазерам обусловлен следующими обстоятельствами.

1. Сам по себе механизм накачки, заключающийся в непосредственном преобразовании энергии химической реакции в энергию электромагнитного поля является интересным.

2. Большие количества энергии, выделяющейся в результате экзотермической химической реакции, приводят к большим мощностям излучения химических лазеров.

Существенным недостатком химических лазеров является сложность устройства, а также взрывоопасность химических реагентов и их высокая токсичность.

Тема 23. Лазеры на центрах окраски

Активной средой в лазерах на центрах окраски (их еще называют лазерами на F-центрах) являются ионные диэлектрические кристаллы, прозрачные в видимой области спектра. К таким кристаллам относятся щелочно-галлоидные кристаллы, такие как LiF, KCl, NaCl и щелочно-земельные кристаллы (фториды) CaF2, BaF2, а также корунд Al2O3. В беспримесном кристалле валентная зона полностью заполнена электронами, в зоне проводимости электроны отсутствуют, а в запрещенной зоне нет энергетических состояний. Если же в таком кристалле создать определенного рода дефекты решетки, то в запрещенной зоне возможно появление новых уровней энергии, что, как следствие, приведет к появлению определенных линий или полос поглощения кристалла. Характер этих полос определяется типом дефекта.

Одним из таких дефектов является так называемый F-центр, который является точечным дефектом в том смысле, что нарушения кристаллической структуры, вызванные им, сравнимы с межатомными расстояниями кристаллической структуры. Различают несколько видов F-центров. Самым простым случаем является непосредственно F-центр. Предположим, что в кристалле каким-либо образом удален анион из узла кристаллической решетки. Тогда в этом узле возникает точечная анионная вакансия. Если вблизи этой вакансии оказывается свободный электрон, то он может занять место удаленного иона и удерживаться (локализоваться) на месте электрическим полем решетки. Это и есть F-центр (схематичное изображение приведено на слайде). FA-центр получается из F-центра при условии, что один из ближайших к электрону положительных ионов замещается положительным ионом другого вещества (например, ион натрия замещается ионом калия). Если имеется два соседних F-центра, расположенных в одной кристаллографической плоскости, то такой дефект называется F2-центром, из которого однократной ионизацией получается -центр. -центр получается, наоборот, в результате захвата дополнительного электрона. Если же происходит замена катиона одного металла в двух соседних узлах кристаллической решетки на катионы другого металла, то возникает FВ-центр.

В кристаллах F-центры существуют и без специальных мер для их получения. В равновесных условиях концентрация F-центров определяется выражением:

, (23.1)

где N – полная концентрация вещества, E – энергия, необходимая для образования центра окраски.

Поскольку величины E составляют порядка 1 эВ, концентрация центров окраски не превышает 10-4 относительных единиц. Поэтому для создания необходимого количества F-центров имеется несколько способов.

При радиационном способе кристалл облучается одним из видов излучения: УФ излучением, рентгеновским или гамма-излучением. Квант излучения поглощается ионом галогена и теряет электрон, после чего становится нейтральным атомом и уходит из узла кристаллической решетки. Освобожденный же электрон занимает его место в анионной вакансии, образуя таким образом F-центр. Основным недостатком этого способа является низкая термическая и оптическая стабильность кристаллов – даже при низких температурах кристаллы быстро обесцвечиваются при поглощении света – как при нагреве, так и при оптическом воздействии электроны покидают вакансии и рекомбинируют с ионами галогена.

В аддитивном способе кристалл прогревается в парах щелочного металла. При нагреве щелочной металл ионизируется, и электрон, проникая внутрь кристалла, при дальнейшем охлаждении локализуется в анионной вакансии. В частности, в парах натрия кристаллы NaCl и KCl приобретают синюю окраску. При таком способе полученные кристаллы более устойчивы к нагреву и оптическому облучению, поскольку партнеры по рекомбинации удаляются из кристалла, и процессы рекомбинации электронов с ионами отсутствуют.

В случае электронно-лучевого способа кристалл облучается электронами высокой энергии, которые проникают внутрь кристалла и затем локализуются в анионных вакансиях.

Концентрации создаваемых различными способами центров окраски могут достигать больших величин – 1017-1018 см-3.

Помимо рассмотренных способов создания центров окраски часто применяются и другие, более сложные, способы фотохимической и термической обработки, позволяющие получать F-центры нужного типа.

При образовании центров окраски электронейтральность кристалла в целом сохраняется. Это означает, что дефекты кристаллической структуры всегда образуются парами. Имеется два типа дефектов. В случае дефекта Френкеля пару образуют вакансия и соответствующий ей ион, находящийся в междоузелье решетки. В случае дефекта Шоттки пару образуют две вакансии противоположного знака.

Для перечисленных выше кристаллов образование различных разновидностей F-центров приводит к появлению таких уровней энергии в запрещенной зоне, что обусловленные ими длины волн поглощения попадают в видимую область спектра, в результате чего кристалл получает окраску. Поэтому такие F-центры называются центрами окраски. Если перевести электрон на уровень энергии, обусловленный наличием F-центра, то релаксация этого состояния происходит излучательно (люминесценция) с длинами волн, большими по сравнению с длиной волны возбуждения и попадающими в ближнюю ИК область.

По сравнению с красителями, спектр центров окраски, как правило, сдвинут в более длинноволновую область и попадает в ближний ИК диапазон. Ширина спектров поглощения и люминесценции центров окраски велика – тысячи и даже десятки тысяч обратных сантиметров.

Для понимания механизма накачки и лазерной генерации рассмотрим энергетические состояния кристалла, обусловленные наличием в нем F-центров. Так же, как и при рассмотрении лазера на александрите, необходимо учитывать колебания F-центров относительно равновесного состояния, обусловленные воздействием на него полей кристаллической решетки. Это приводит к зависимости энергии F-центров от некоторой обобщенной конфигурационной координаты (рисунок на слайде) и к появлению колебательной структуры электронных состояний. При этом вследствие большого числа колебательных степеней свободы количество колебательных состояний велико, а сами колебательные уровни перекрываются между собой, образуя широкие полосы. Вследствие этого процессы накачки и релаксации возбужденных состояний похожи на аналогичные процессы в лазерах на красителях. Излучение накачки переводит электроны из колебательных состояний, расположенных вблизи дна основного электронного состояния (условно это можно считать уровнем 1), на колебательные уровни возбужденного электронного состояния, не расположенные вблизи его дна (уровень 2). В результате быстрой безызлучательной релаксации электроны переходят на нижерасположенные колебательные уровни данного электронного состояния (уровень 3), после чего в соответствии с принципом Франка-Кондона излучательно релаксируют на колебательные уровни основного электронного состояния (уровень 4). Далее происходит быстрая безызлучательная релаксация на нижние колебательные уровни (уровень 1) и цикл завершается. Поскольку времена безызлучательной релаксации в пределах одного электронного состояния составляют пикосекунды, а времена излучательной релаксации достигают десятков наносекунд, то выполняются все условия для генерации лазера по классической четырехуровневой схеме накачки.

Для накачки лазеров на F-центрах, также как и в случае лазеров на красителях, удобно использовать лазерное излучение (например, Kr-лазер на длине волны 647 нм или неодимовый лазер). Отличие от лазеров на красителях заключается в том, что если в лазерах на красителях необходимо геометрически совместить луч лазера накачки и струю красителя, то в лазерах на центрах окраски излучение источника накачки пропускается через входное окно, имеющее большой коэффициент отражения на длине волны лазера на центре окраски и маленький коэффициент отражения на длине волны лазера накачки.

Характерные пороговые мощности накачки составляют несколько десятков милливатт. Величины КПД лазеров на центрах окраски варьируются от нескольких процентов до нескольких десятков процентов. Это различие обусловлено в различии квантовой эффективности накачки для разных структур. Так, для -центров эффективность накачки составляет приблизительно 80%, в то время как для FА-центров она не превышает 10%.

Лазеры на F-центрах имеют те же самые недостатки, что и лазеры на красителях: имеются потери, обусловленные процессами, аналогичными процессам синглет-триплетной конверсии. Помимо этого, вследствие большого сдвига возбужденного состояния относительно основного, коэффициенты Франка-Кондона для излучательных переходов малы, что приводит к низким значениям сечений индуцированного излучения. И, наконец, сами F-центры отличаются невысокой термической и оптической (по отношению к излучению накачки) стабильностью.

Плохая термическая стабильность приводит к тому, что активную среду в лазерах на центрах окраски приходится поддерживать при температурах жидкого азота – при повышении температуры центры окраски начинают распадаться. Необходимость глубокого охлаждения связана также с тем, что время жизни верхнего лазерного уровня обратно пропорциональна температуре. Для поддержания кристалла при низкой температуре используется вакууммирование резонатора лазера. Другой причиной вакуумной откачки является снижение таким образом уровня потерь, обусловленных поглощением атмосферными парами воды.

Наилучшие результаты достигаются при использовании -, , FА- и FВ-центров, поскольку именно такие структуры отличаются наилучшей термической и оптической стабильностью.

Лазеры на центрах окраски могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах генерации. Характерные мощности их излучения в непрерывном режиме достигают нескольких ватт. В импульсном режиме (синхронизация мод) длительности импульсов могут быть уменьшены до нескольких пикосекунд и даже меньше. Лазеры на центрах окраски перекрывают спектральный диапазон приблизительно от 0.6 мкм до 4 мкм с возможностью плавной перестройки длины волны излучения посредством использования селективных резонаторов и интерферометров Фабри-Перо.

Тема 24. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры являются по-существу твердотельными лазерами, однако специфический механизм накачки в них обусловливает выделение этих лазеров в отдельный класс. В настоящее время полупроводниковые лазеры являются наиболее широко используемыми источниками когерентного излучения в различных областях человеческой деятельности. Ежегодно в мире выпускается сотни миллионов этих лазеров. Спектральный диапазон, перекрываемый излучением полупроводниковых лазеров, лежит в области длин волн от УФ до 40 мкм.

В самом простом приближении механизм возникновения инверсной населенности в полупроводнике можно представить с помощью следующей упрощенной схемы. Пусть полупроводник находится при температуре, близкой к 0 К. Тогда можно считать, что все состояния валентной зоны заняты электронами, а в зоне проводимости электронов нет (рисунок на слайде). Если каким-либо образом перевести электроны внутрь зоны проводимости, что они очень быстро срелаксируют на самые нижние уровни энергии этой зоны. Вместе с этим состояния вверху валентной зоны окажутся незанятыми. Тогда между нижними состояниями зоны проводимости и верхними состояниями валентной зоны возникнет инверсная населенность.

Однако такую схему накачки на практике реализовать сложно хотя бы потому, что полупроводник необходимо поддерживать при близких к абсолютному нулю температурах. Основным механизмом накачки в полупроводниковых лазерах является инжекция – диффузия электронов, находящихся в зоне проводимости, в так называемую активную область (область, где создается инверсная населенность) через p-n переход - с последующей рекомбинацией электронов с дырками валентной зоны, сопровождающейся излучением. Поэтому такие лазеры получили название инжекционных.

Первый инжекционный лазер был создан на полупроводнике GaAs на гомопереходе. В этом лазере как p-, так и n-области выполнены из GaAs. При этом они легируются примесями до вырождения, что означает, что уровни Ферми в p-области попадают в валентную зону, а в n-области – в зону проводимости (рисунок приведен на слайде). Если к полупроводнику не приложено напряжение, то уровни Ферми в обеих областях имеют одну и ту же энергию, и электроны из зоны проводимости n-области никак не могут проникнуть в зону проводимости p-области. Если же приложить смещающее в прямом направлении напряжение V, уровни Ферми в p- и n-областях разойдутся на величину DE=eV, а в области p-n перехода возникнут квазиуровни Ферми, причем, как это видно на рисунке, в этой области электроны из n-области получают возможность диффундировать (инжектироваться) в p-область (аналогичным образом можно говорить о том, что дырки из p-области диффундируют в n-область). Тогда в области p-n перехода возникает инверсная населенность, и электроны рекомбинируют с дырками с испусканием кванта излучения. Толщина области, в которой возникает инверсная населенность (активная область) определяется скоростью диффузии электронов и временем жизни электрона в зоне проводимости до его рекомбинации с дыркой. В полупроводнике на GaA толщина активной области составляет порядка 1 мкм. Величину смещающего напряжения также легко оценить из простого соображения, что по порядку величины смещение уровней Ферми должно быть сопоставимо с шириной запрещенной зоны. В GaA лазере V1.5 В.

Конструктивно рассмотренный лазер выглядит следующим образом (рисунок на слайде). Типичные размеры кристалла составляют 100 мкм по высоте, 200 мкм по ширине, 200-500 мкм по длине. Торцы кристалла вдоль длины делаются параллельными друг другу путем их скалывания вдоль кристаллографических плоскостей, что позволяет использовать их в качестве зеркал резонатора. Коэффициенты отражения таких зеркал составляют значения 30-40%, что в условиях очень больших коэффициентов усиления вполне достаточно для обеспечения обратной связи. Область p-n перехода расположена в середине кристалла по его высоте, на поверхностях кристалла формируются омические контакты, а сам кристалл устанавливается на теплоотводящую подложку.

Основным недостатком гомолазера является высокая пороговая плотность тока – примерно 105 А/см2 при комнатной температуре. Для ее снижения кристалл приходится охлаждать до криогенных температур, и только в этом случае лазер может работать в непрерывном режиме. Кроме того, усиление возникает по всей ширине кристалла в области p-n перехода, и при неизбежном наличии каких-либо неоднородностей генерация возникает во многих каналах, что существенно ухудшает свойства излучения. Поэтому были разработаны сначала полосковые полупроводниковые лазеры, а затем лазеры на гетероструктурах, которые и используются успешно в настоящее время.

Лазер с полосковой структурой отличается от рассмотренного выше тем, что на поверхность кристалла наносится слой изолирующего покрытия, в котором ортогонально зеркалам вырезается полоса шириной порядка 10 мкм. Таким образом, ток локализован только в пределах этой полосы, что позволяет избежать многоканальной генерации. Помимо этого, ограничение области усиления приводит к лучшему теплоотводу и, как следствие, к меньшему нагреву.

Под гетероструктурой понимается область контакта двух разнородных полупроводников в том смысле, что они должны обладать разной шириной запрещенной зоны, в то время как параметры их решеток должны как можно меньше различаться (в этом случае возникает минимальное количество дефектов и механических напряжений в области их контакта). Типичным примером гетероструктуры является структура GaAs и Ga0.7Al0.3As. У GaAs ширина запрещенной зоны меньше, а показатель преломления больше. Гетероструктура P-типа приведена на слайде. Из-за различия ширин запрещенных зон возникает так называемый электронный барьер – электроны из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны не могут диффундировать в полупроводник с большей шириной запрещенной зоны. Это приводит к тому, что величина инверсии возрастает и, следовательно, плотности порогового тока становятся существенно меньшими (примерно на два порядка по сравнению с гомолазером). Кроме того, различие в показателях преломления приводит к волноводному эффекту, причем возможно возникновение полного внутреннего отражения на границе полупроводников двух типов. Тогда излучение будет сосредоточено практически полностью в активной области. Аналогичным образом создается гетероструктура N-типа.

На слайде приведена конструкция полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре (в таком лазере создаются P- и N- гетероструктуры одновременно, в противном случае говорят об одинарной гетероструктуре, такие лазеры в настоящее время практически не используются). Эта структура образована контактами Ga0.7Al0.3As(n-типа)-GaAs и GaAs-Ga0.7Al0.3As(p-типа). Толщина активной области GaAs составляет 0.1-0.3 мкм. Дополнительные подложки из GaAs делаются потому, что на них удобнее осуществлять омические контакты.

Рассмотрим основные характеристики полупроводниковых лазеров. Одним из основных отличий этих лазеров от рассмотренных ранее является крайне малая длина оптического резонатора, что приводит к большим межмодовым расстояниям. В область усиления полупроводникового лазера могут попасть сотни мод. Однако при хорошей пространственной и спектральной однородности линии усиления генерация происходит преимущественно в одномодовом режиме. При нарушении же однородности генерация может происходить на нескольких продольных модах. Расстояния между соседними модами для различных полупроводниковых лазеров определяется областью спектра, в которых они излучают, и лежат в диапазоне 0.5-3 см-1. Поэтому спектр излучения полупроводниковых лазеров охватывает диапазон до 5-10 нм. Вообще, длина волны излучения полупроводникового лазера сильно зависит от температуры кристалла – при изменении температуры меняется показатель преломления активной среды, и частоты мод меняются. Температуру активной среды можно менять как непосредственно ее охлаждением или нагревом, так и изменением тока накачки.

На слайде в качестве иллюстрации приведен характерный спектр излучения полупроводникового лазера. Поскольку на длине резонатора должно укладываться целое число длин полуволн, то, например, в случае лазера на GaAs, излучающего на длине волны 0.85 мкм, принимая длину кристалла равной 250 мкм, получаем величину межмодового расстояния 0.39 нм.

Вообще говоря, широкий спектр излучения является недостатком полупроводниковых лазеров, например, при использовании полупроводниковых лазерах в волоконно-оптических линиях связи, поскольку при этом возникают проблемы с оптической дисперсией оптического волокна. Для сужения ширины спектра применяют так называемую распределенную обратную связь, которая возникает при создании в кристалле структуры, обусловливающей периодическое изменение показателя преломления вдоль направления распространения излучения. В результате явления брэгговского рассеяния на изменении показателя преломления возникает распределенное обратное отражение электромагнитной волны, то есть происходит дифракция на распределенной фазовой решетке показателя преломления. Максимальная обратная связь получается на длине волны, удовлетворяющей соотношению:

, (24.1)

где n – показатель преломления лазерного канала, DL – пространственный период фазовой решетки.

Это соотношение вытекает из того, что волны, отраженные от соседних областей с более высоким показателем преломления, должны складываться в фазе. Таким образом, на длине волны, удовлетворяющей (24.1), возникает обратная связь. В результате лазер излучает только на одной продольной моде.

Технология изготовления фазовой решетки показателя преломления заключается в изготовлении периодической гофрированной структуры на одной поверхности активного слоя. Поскольку показатель преломления активного слоя больше по сравнению с показателем преломления окружающего материала, то возникает периодическон изменение показателя преломления. При этом эффект от такой структуры тем больше, чем ближе она располагается от области p-n перехода, поскольку именно в этой области интенсивность электромагнитного поля наиболее высока.

Зависимости выходной мощности излучения лазера от тока накачки приведены на слайде. Выходные мощности излучения в непрерывном режиме не превышают величин порядка 10 мВт, поскольку при больших мощностях высокие интенсивности лазерного пучка могут разрушить кристалл. Величины пороговых токов сильно зависят от температуры кристалла (хорошо выполняется зависимость , где Т0 – параметр кристалла) и для комнатной температуры не превышают нескольких десятков мА. В импульсном режиме мощность излучения лазера на GaAs может достигать сотни ватт.

В настоящее время существует большое количество разновидностей полупроводниковых лазеров. Рассмотренный лазер на GaAs (длина волны излучения 0.85 мкм) относится к группе А3В5. К этой же группе лазеров относятся лазеры на GaP (0.6 мкм), на InAs (5 мкм) и ряд других. Другой группой лазеров является группа А4В6. К ней относятся лазеры на PbSSe, PbSnTe, PbSTe. Эти лазеры могут работать в непрерывном режиме только при охлаждении до температур жидкого гелия, а в импульсном – до температур жидкого азота. Эти лазеры излучают в диапазоне от 3.5 мкм до 40 мкм. Третью категорию составляют лазеры, относящиеся к группе А2В6 – лазеры на CdS, ZnS,ZnSe, излучающие в коротковолновом спектральном диапазоне – в сине-зеленой и в ближней УФ областях спектра.

Тема 25. Лазеры на свободных электронах

В лазерах на свободных электронах электронный пучок пропускается через постоянно-периодическое магнитное поле, создаваемое магнитами, которые называются ондуляторами или вигглерами (рисунок приведен на слайде). Поскольку в процессе движения электрона в магнитном поле на него действует периодическая сила, то ускорение электрона периодически меняется, и электрон движется по пространственно-периодической траектории. Такое движение сопровождается тормозным излучением в направлении движения электрона.

Пусть L – период магнитного поля, V – скорость движения электрона вдоль поля. Тогда временной период действующей на электрон силы равен L/V, а частота изменения ускорения электрона равна V/ L. При движении электрона со скоростью много меньшей скорости света частота излучения электрона совпадает с частотой периодической структуры. Если, например, период магнитного поля составляет несколько сантиметров, то длина волны излучения электрона определяется выражением:

, (25.1)

и для нерелятивистского случая попадает в радиодиапазон.

Если же скорость электрона существенно возрастает до скоростей, практически равных скорости света, то начинают работать релятивистские поправки специальной теории относительности. Введем релятивистский фактор:

. (25.2)

Тогда период магнитного поля изменяется следующим образом:

, (25.3)

а частота периодического воздействия на электрон увеличивается до величины gV/ L.

Возникающий в лабораторной системе отсчета релятивистский доплеровский эффект приводит к увеличению частоты излучения электрона в направлении его движения в g(1+V/с) раз. Таким образом, выражение для длины излучения релятивистского электрона определяется следующим образом:

. (25.4)

Для оценки численного значения длины волны излучения электрона положим скорость электрона приблизительно равной скорости света. Тогда 1+V/с 2. Величину g можно определить, если учесть, что энергия электрона W равна

, (25.5)

где e – заряд электрона, U – напряжение электрического поля, которое необходимо приложить, для того чтобы разогнать электрон до скорости V.

Тогда:

, (25.6)

где m0 – масса покоя электрона.

Из полученных выражений следует, что при изменении энергии электронов eU в диапазоне от сотен до тысяч МэВ длины волн излучения электрона попадают в спектральные области от ультрафиолетовой до инфракрасной.

Далее можно из достаточно простых соображений оценить порядок величины ширины спектральной полосы излучения, а также форму спектральной линии. Для этого учтем, что время тормозного излучения электрона определяется выражением:

, (25.7)

где L – длина магнитного поля в направлении движения электрона.

За время пролета через магнитное поле количество циклов излучения равно числу периодов магнитного поля: N = L/L. Тогда в результате преобразования Фурье оказывается, что спектр импульса излучения имеет вид:

, (25.8)

где - центральная частота линии излучения.

Выражение для ширины линии излучения, оцененной на уровне половины от максимального значения, имеет вид:

. (25.9)

Если число периодов магнитного поля равно порядка сотни, то величина 10-2 – 10-3.

Очевидно, что при одной и той же скорости всех электронов, движущихся в магнитном поле в одном направлении, форма линии одинакова. Поэтому форма линии излучения соответствует однородному уширению. Неоднородные эффекты проявляются достаточно слабо и связаны с неоднородностью магнитного поля, угловой расходимости электронного пучка и разбросом энергий электронов.

Источниками электронных пучков служат ускорители электронных пучков, которые работают, как правило, в импульсном режиме. Длительности импульсов электронных пучков не превышают микросекунды, но могут быть существенно более короткими – единицы пикосекунд. Такие короткие импульсы представляют собой регулярную последовательность так называемых электронных пакетов, которые не являются гладкими, что приводит к сложной временной и спектральной структуре излучения лазеров.

Необходимо обеспечить условия, при которых временной интервал между электронными пакетами, поступающими на вход системы магнитов, был кратен времени двойного прохода излучения через резонатор лазера. В этом случае электромагнитное поле в резонаторе имеет вид волновых пакетов, которые синхронизированы с электронными пакетами и усиливаются в течение времени существования электронного пакета. Таким образом, излучение лазера на свободных электронах имеет вид последовательности коротких импульсов, расстояние между которыми кратно времени двойного прохода волнового пакета через резонатор. Этот режим генерации практически является режимом синхронизации мод.

Длительность электронного пакета, очевидно, обусловливает немонохроматичность излучения лазера на свободных электронах. Если длительность электронного пакета составляет несколько пикосекунд, то электронный пакет имеет протяженность несколько миллиметров. Отсюда следует, что ширина спектра излучения лазера составляет порядка 10 см-1.

Для обеспечения достаточной величины коэффициента усиления напряженность магнитного поля должна быть достаточно большой. Так, при индукции магнитного поля на уровне несколько килогаусс, при энергии электронов в пучке 20-30 МэВ, концентрация которых составляет 1011 см-3, при электронных токах 10-100 А величина коэффициента усиления за один проход достигает значений порядка 10%. Это соответствует выходной мощности импульса излучения порядка 10 кВт. Вообще же мощности излучения лазеров на свободных электронов могут достигать десятков и сотен мегаватт.

В частности, использование в качестве источников электронных пучков линейных ускорителей обеспечивает электронные токи, состоящие из тысяч электронных пакетов длительностью каждого пакета в десятки пикосекунд при общей длительности электронного тока в сотни микросекунд с частотой повторения порядка 1 Гц. В этом случае максимальная выходная мощность импульса излучения достигает 10 МВт.

Для оценки эффективности лазеров на свободных электронах определим КПД лазера как отношение энергии, отдаваемой электроном пучка электромагнитному полю излучения, к начальной энергии электрона. Исходя из такого определения, величина максимального КПД равна 1/2N. Поскольку в лазере используется, как правило, несколько сотен ондуляторов, величина КПД является низкой. Способы повышения КПД заключаются в следующем. Во-первых, КПД можно повысить за счет уменьшения периода магнитного поля вдоль направления электронного пучка. Во-вторых, энергию, оставшуюся в электронном пучке после его выхода из резонатора, можно вернуть в электромагнитное поле за счет замедления электронов. В результате применения этих способов КПД существенно повышается, и его значение может достигать нескольких процентов.

Помимо рассмотренного механизма возникновения излучения, существуют лазеры на свободных электронах, работающие в так называемом рамановском режиме. В этих лазерах энергия электронного пучка заметно ниже – порядка 1-2 МэВ. Однако при этом электронные токи существенно больше – 10-20 кА. В таких условиях становится сильным электрон-электронное взаимодействие, приводящее к возникновению коллективных колебаний в электронном пучке, которые называются плазменными волнами. Излучение при этом возникает из-за рассеяния не на отдельных электронах, а на плазменных волнах. Частота излучения смещается в область больших длин волн на величину, соответствующую длине волны колебаний в плазменной волне, аналогично тому, как это происходит в случае комбинационного рамановского рассеяния. Вследствие более низких энергий электронов и длинноволнового смещения излучения такие лазеры работают в миллиметровом диапазоне.

Первый лазер на свободных электронах излучал на длине волны 3.4 мкм в режиме синхронизации мод с длительностями импульсов в несколько пикосекунд. Источником электронных пучков для этого лазера служил линейный сверхпроводящий ускоритель Стэнфорского университета, обеспечивающий энергии электронов порядка 10 МэВ.

Основные достоинства лазеров на свободных электронах заключаются в следующем.

1. В таких лазерах можно перестраивать длины волн излучения в широких диапазонах – от миллиметровых диапазонов до ультрафиолетовой области. Это позволяет их использовать в таких спектральных диапазонах, в которых не имеется других лазеров, в частности, в дальней инфракрасной области или в области глубокого ультрафиолета.

2. В лазерах на свободных электронах достигаются высокие значения КПД, что приводит к большим мощностям лазерной генерации.

3. Излучение лазеров на свободных электронах имеет высокое качество. Это обусловлено прежде всего высокой однородностью активной среды, а также низким уровнем дифракционных потерь. Пучок лазерного излучения имеет размеры, лишь в малой степени (на несколько процентов) превышающие величину дифракционного предела.

Однако существенный недостаток лазеров на свободных электронах состоит в том, что установки являются очень сложными и громоздкими, поскольку для инжектирования электронных пучков в магнитное поле требуются мощные и большие ускорители электронов.

Тема 26. Области применения лазеров

Лазерные источники излучения в настоящее время используются в самых разнообразных областях человеческой деятельности.

В последние годы получены результаты в области метрологии, которые оказались возможны благодаря прогрессу в создании высокостабильных лазеров, генерирующих фемтосекундные импульсы. Использование таких лазеров позволяет принципиально по-новому подойти к решению таких проблем, как создание оптических часов, проведение высокоточных измерений абсолютных значений частот в оптическом диапазоне спектра и т. д. Большое количество исследований посвящено разработке высокоточных стандартов частоты оптического диапазона.

Физической основой этих исследований является способность фемтосекундных лазеров с синхронизацией мод генерировать широкий спектр эквидистантных частот, интервал между которыми может быть стабилизирован путем фазовой привязки частоты межмодовых биений к частоте внешнего высокостабильного генератора. При этом эквидистантность межмодовых интервалов с погрешностью не хуже 10-16 задается самим процессом самосинхронизации мод. Это позволяет создавать высокостабильные линейки эквидистантных частот с шагом от 100 МГц до 1 ГГц, перекрывающей частотный интервал до сотен терагерц. Исследования демонстрируют реальную возможность создания высокостабильного стандарта частоты в оптическом диапазоне на основе использования фемтосекундных лазеров. В настоящее время с помощью высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера уже получена стабильность частоты межмодовых биений 10-14 за 1000 с. Использование фемтосекундных лазеров позволяет также значительно упростить связь стандартов частоты оптического и СВЧ-диапазона. Если одновременно стабилизировать межмодовый интервал по частоте радиочастотного стандарта, а одну из синхронизованных мод привязать к частоте оптического стандарта, то можно получить высокоточную шкалу стандартных частот. Именно эта возможность, основанная на переносе частотных характеристик оптического стандарта в радиочастотный диапазон, и лежит в основе создания оптических часов.

Другое направление исследований связано с созданием высокостабильных твердотельных лазеров, стабилизируемых по линиям поглощения в газах. Большое внимание уделяется поиску новых опорных линий поглощения, частоты которых совпадают с частотами излучения твердотельных лазеров. Определенным успехом следует считать стабилизацию Tm:Ho:YAG лазера (l = 2.097 мкм) по линии поглощения молекулы HBr. Имеются обнадеживающие результаты по созданию оптического стандарта, основанного на привязке частоты второй гармоники Nd:YAG-лазера к резонансной линии поглощения в 127I2. На основе Nd:YAG/I2-лазера создан стандарт частоты, частотная стабильность которого составляет 5x10-14 в течение нескольких сотен секунд. В последние годы достигнут значительный прогресс в получении узких и сверхузких оптических резонансов, необходимых для создания оптических стандартов частоты. В частности, в лазере на He-Ne/CH4 (l = 3,39 мкм) с внутрирезонаторным телескопическим расширителем пучка получена воспроизводимость частоты 1014, что стало возможным благодаря реализации сверхузких резонансов насыщенного поглощения с однородной шириной линии порядка 10 Гц. Еще одна возможность создания оптических реперов связана с использованием запрещенных переходов. В частности, для синтеза и абсолютного измерения частот в оптическом диапазоне используется запрещенный переход в ионе индия на длине волны 236.5 нм, с которой совпадает четвертая гармоника Nd:YAG-лазера.

Фундаментальное значение для физики имеет разработка методов и создание аппаратуры для измерения сверхмалых смещений с помощью лазерной техники. Достигнутая точность таких методов открывает экспериментальную возможность проверки постулатов теории относительности. Проведенные в последнее время исследования позволили разработать принципиальную схему лазерного высокочувствительного детектора гравитационных волн от периодических астрофизических источников - пульсаров и создать измерительный комплекс для измерения красного смещения.

Широкое распространение получили лазеры в медицине. Лазеры в хирургии позволили осуществлять прецизионно точное локальное воздействие. При этом оказалось возможным проводить бескровные операции, поскольку лазерный скальпель коагулирует («заваривает») сосуды в зоне «разреза». Использование таких режимов лазеров, как модуляция добротности и синхронизация мод, позволило проводить уникальные операции по послойному «сухому» стравливанию ткани роговицы глаза и импульсному удалению опухолей с минимальным повреждением здоровых тканей. Высокая точность, селективность, повторяемость параметров и абсолютная стерильность, как при неконтактном, так и контактном воздействии являются основными преимуществами лазеров в современной хирургии. Применение оптических волокон для передачи лазерного излучения и изображения позволили проводить микрооперации на внутренних органах без рассечения тканей.

Одним из наиболее распространенных лазеров в хирургии является лазер на двуокиси углерода. Этот лазер пригоден в большинстве случаев, например, когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Лазер на двуокиси углерода - это первый хирургический лазер, который активно используется с 1970-х годов по настоящее время. Высокое поглощение в воде и органических соединениях (типичная глубина проникновения 0,1 мм) делает СО2-лазер подходящим для широкого спектра хирургических вмешательств, в том числе для гинекологии, оториноларингологии, общей хирургии, дерматологии, кожно-пластической и косметической хирургии. Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без глубокого ожога. Это также делает CO2-лазер не опасным для глаз, т. к. излучение не проходит сквозь роговицу и хрусталик.

Другие лазеры, излучающие на фиксированной длине волны, нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Например, луч аргонового лазера свободно проходит через матовое стекловидное тело и отдает свою энергию сетчатке, цвет которой близок к красному.

Предпочтительная сфера хирургического применения неодимового лазера - это объемная и глубокая коагуляция в урологии, гинекологии, онкологические опухоли, внутренние кровотечения и т. п. как в открытых, так и в эндоскопических операциях.

Диагностические лазерные методы в отличие от хирургических не столь широко распространены, прежде всего потому, что используемые в них до последнего времени твердотельные и газовые лазеры дороги и недостаточно управляемы. Однако такие методы исследования, как бесконтактная биопсия, измерение тока крови в микрососудах и лазерная томография кожи, слизистых оболочек и прозрачных сред глаза являются уникальными.

Лазеры позволили осуществить значительный прорыв в стоматологии, как для десен и других мягких тканей, так и для самих зубов. В наши дни значительное количество лазерных технологий и методов лечения получили широкое применение. Сегодня лазеры используются в следующих областях стоматологии: профилактика, пародонтология, эстетическая стоматология, эндодонтия, хирургия, имплантодонтия, протезирование. Еще в 1964 году была предположена возможность применения рубинового лазера для лечения кариеса, что привлекло внимание всего мира. В 1967 году была осуществлена попытка удаления кариеса при помощи рубинового лазера, но она оказалась тогда неудачной, поскольку не удалось избежать повреждения пульпы зуба, несмотря на хорошие результаты, полученные на извлеченных зубах. Позднее подобные исследования с CO2- лазером также столкнулись с этой проблемой. Чтобы минимизировать накопление тепла, вместо непрерывного излучения использовались импульсные лазеры. Дальнейшие исследования продемонстрировали, что лазер Nd:YAG может давать небольшой местный анестезирующий эффект. Более поздние разработки привели к успешному использованию Er:YAG лазера, который полностью просверливает эмаль и дентин. При этом лазер сохраняет больше здоровой ткани зуба. С сегодняшними лазерами практически нет нежелательного нагревания, шума и вибрации.

В косметологии для устранения сосудистых и пигментных дефектов кожи используются лазеры на красителе и на парах меди, для эпиляции - александритовые и рубиновые лазеры. Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для красного спектра - меланин волос, а для инфракрасного спектра - клеточная вода. При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени.
Таким образом, с помощью лазера можно селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи.

Однако одними из наиболее важных направлений использования лазеров в настоящее время являются возможности их применения в технологических процессах и в задачах детектирования различных веществ. Применение лазеров в технологических процессах основано на том, что высокая интенсивность лазерного излучения вызывает большой спектр физико-химических процессов в материале. Кроме того, вследствие значительного диапазона длин излучений лазерных источников оказывается возможным воздействовать на материалы на различных глубинах от поверхности.

В зависимости от плотности лазерного излучения вещество может нагреваться, плавиться, испаряться, ионизироваться. При очень больших плотностях мощности и при коротких импульсах воздействие излучения приводит к образованию в материале ударной волны. Все это приводит к многообразию технологических процессов, в которых используются лазеры. Более того, только с возникновением лазеров ряд технологических процессов оказались осуществимы. Здесь мы кратко остановимся на возможностях использования лазеров для обработки металлов и полупроводников. Начнем с металлов.

Применение лазеров для процессов сварки открыло, по крайней мере, две возможности, которые нельзя было ранее реализовать: во-первых, с помощью лазера можно осуществить высококачественную точечную сварку, во-вторых, можно сваривать материалы, которые принципиально различаются по своим теплофизическим свойствам, например, стали и алюминия или меди.

Лазерная пайка позволяет точно контролировать степень нагрева материала, локальность пайки (для этого используются оптические волокна). Помимо этого, расщепление лазерного луча позволяет осуществлять одновременную пайку сразу на нескольких участках.

Лазерное сверление позволяет получать отверстия малого диаметра, причем в таких трудносверлимых материалах, как, например, различные керамические сплавы.

Короткие импульсы высокой мощности лазеров, воздействующие на материал, приводят к высоким скоростям нагрева и охлаждения. Как результат, возникают такие структурные состояния вещества, которые невозможно получить без использования лазерных источников. Это используется для улучшения механических свойств материалов, таких как износоустойчивость, твердость, коррозионная стойкость. Кроме того, с помощью лазера можно оплавлять поверхностный слой металла как для нанесения защитного покрытия, так и для устранения поверхностных дефектов, а можно для этих же целей наносить на поверхность материала тонкий слой другого материала с последующим его оплавлением.

В ряде случаев быстрый нагрев металла, сопровождающийся его плавлением, а затем быстрая конденсация приводят к образованию аморфных структур. Это находит реализацию в процессах изготовления металлических стекол.

В случае, когда мощность лазерного излучения оказывается достаточной для испарения вещества с поверхности металла, в испаренной газовой фазе начинают протекать различные химические реакции – окисления и восстановления, разложения и синтеза. Эти реакции приводят к возникновению новых материалов на поверхности, что может использоваться в различных микроэлектронных технологиях.

Основными технологиями обработки полупроводников излучением лазеров являются лазерный отжиг, легирование, окисление, геттерирование, очистка поверхности, осаждение тонких пленок на поверхность, образование силицидов, скрайбирование.

Лазерный отжиг предназначен для удаления дефектов из полупроводников после ионной имплантации. Практика показывает, что качество лазерного отжига выше по сравнению с обычными нелазерными способами. Достоинством лазерного легирования является существенно большая предельная растворимость примесей в кремнии по сравнению с нелазерными методами. Окисление поверхности материала при его нагреве лазерным излучением в атмосфере кислорода по заданному рисунку позволяет получать изделия очень высокого качества.

Сущность геттерирования заключается в том, что при создании искусственного дефекта на поверхности материала этот дефект оказывается способным собирать на себе ряд других дефектов-загрязнений. В результате общее количество дефектов уменьшается на порядки. Лазерное излучение используется для создания таких искусственных дефектов на обратных сторонах полупроводниковых пластин, что значительно повышает их качество.

Для очистки поверхности она расплавляется лазерным излучением, и в результате термической десорбции поверхность таким образом очищается от загрязнений.

Если насадить на кремниевую подложку тонкий слой металла по заданному рисунку и нагреть его излучением лазера до необходимой температуры, то в результате химической реакции металл вступает в соединение с кремнием (образуется силицид), который служит электрическими контактами и токоведущими дорожками. Важно, что локальный нагрев не затрагивает при этом соседние участки и качество изделия оказывается высоким.

Под скрайбированием понимается надрезание лазерным излучением полупроводниковых пластин с последующим механическим разломом.

Тема 27. Флуоресцентный метод детектирования веществ. Лидарные методы

Лазерные источники излучения широко используются в исследованиях атмосферы и окружающей среды, прежде всего, для детектирования различных веществ. Одними из наиболее успешных для решения этих задач являются методы лазерной спектроскопии. Рассмотрим основные методы – непосредственное измерение поглощения (абсорбционная спектроскопия), лазерная индуцированная флуоресценция, спонтанное комбинационное рассеяние (КР) или когерентное антистоксово рассеяние света – которые можно использовать для дистанционного зондирования.

В основе метода флуоресцентной спектроскопии лежит явление люминесценции – излучения, которое представляет собой избыток над тепловым излучением тела и продолжается в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Понятие люминесценции применимо только к совокупности атомов и молекул. Люминесценция существенно отличается от теплового равновесного излучения. Так, в видимой области спектра тепловое излучение становится заметным при температурах ~ 1000 К, в то же время люминесцировать тело может при любой температуре. Вследствие этого применительно к люминесценции употребляется термин холодное свечение.

Типичными примерами люминесценции в природе являются северное сияние, свечение насекомых, минералов, гниющего дерева.

Люминесцировать могут вещества во всех агрегатных состояниях – газы, пары, растворы органических веществ, кристаллические вещества, стекла. Основным условием для возникновения люминесценции является наличие дискретного спектра, поскольку в непрерывном спектре энергия возбуждения непрерывным образом передается в теплоту.

При низких давлениях люминесцируют пары металлов, благородные газы, пары многоатомных органических молекул. При увеличении давления более вероятными становятся процессы безызлучательной релаксации. В атомных парах энергия возбуждения может переходить в кинетическую энергию атомов. В молекулярных парах энергия может безызлучательно переходить в колебательно-вращательную энергию молекул. Все это приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение радиацией), электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), кандолюминесценцию (возбуждение при механическом воздействии, например, при разрушении кристалла), хемилюминесценцию (возбуждение при химической реакции), радиокалорекомбинационную, лиолюминесценцию (возбуждение при растворении кристаллов).

По длительности свечения различают фосфоресценцию (времена жизни в возбужденном состоянии более чем 10-3–10-2 с) и флуоресценцию (времена жизни порядка 10-6–10-9 с).

При поглощении кванта света атом или молекула может перейти на возбужденный уровень, а затем возвращается в исходное состояние, испуская квант той же величины, что и поглощенный. Такой процесс, происходящий без изменения частоты поглощенного излучения (рисунок на слайде), называется резонансной флуоресценцией.

Процесс флуоресценции может и не быть резонансным. В формировании спектров люминесценции молекул важнейшую роль играет колебательно-вращательная структура электронных уровней. Поглощающая свет молекула может возвращаться, излучая свет, не только в основное, но и в ряд возбужденных состояний. При этом флуоресцентное излучение происходит с длиной волны большей, чем длина волны возбуждающего света – стоксова флуоресценция. В случае, если исходным уровнем был возбужденный, то излучаемая длина волны может оказаться меньше поглощаемой – антистоксова флуоресценция. Очевидно, что вероятность антистоксовой флуоресценции возрастает с ростом температуры.

Мы рассмотрим флуоресценцию молекул, возбуждаемых излучением лазерных источников.

С появлением лазерных монохроматических источников, спектральная ширина которых может быть существенно меньшей по сравнению с расстоянием между отдельными уровнями энергии молекулы, появилась возможность избирательно возбуждать отдельный колебательно-вращательный уровень молекулы, что приводит к относительно простой структуре спектров, которые можно легко отождествить.

В настоящее время методика лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) является наиболее широко распространенной. Диапазон применения ЛИФ простирается от отождествления молекулярных спектров и измерений молекулярных констант, вероятностей переходов, франк-кондоновских факторов до исследований процессов столкновений или определения заселения внутренних энергетических состояний в продуктах химических реакций. Другой аспект ЛИФ связан с возможностью высокочувствительного детектирования малых концентраций поглощающих молекулярных компонентов и имеет важное практическое приложение, в частности, для экологических задач мониторинга вредных веществ, содержащихся в биосфере.

Преимущества ЛИФ можно суммировать следующим образом.

1. Относительно простую структуру спектров легко отождествить. Линии флуоресценции можно разрешить с помощью спектрографа относительно простой конструкции. Требования к экспериментальному оборудованию менее строгие, чем при регистрации в анализе спектров поглощения той же молекулы.

2. Большие интенсивности многих лазерных линий позволяют достигать больших населенностей на возбужденных уровнях. Это приводит к высоким интенсивностям спектральных линий флуоресценции и дает возможность детектировать даже переходы с малыми значениями коэффициентов Франка Кондона.

3. Измерения спектров флуоресценции позволяют вычислять значения широкого ряда спектроскопических констант, которые невозможно определить другими методами. Такими константами являются, в частности, вращательные постоянные, времена жизни возбужденных уровней. Измерения интенсивностей линий позволяют определять значения электронных дипольных моментов перехода, что, в свою очередь, дает возможность восстанавливать форму зависимости потенциала взаимодействия от межъядерного расстояния.

Использование ЛИФ для измерения концентраций различных веществ имеет ряд важных преимуществ по сравнению с другими методами.

Во-первых, узость линии возбуждения при возможности ее частотной перестройки позволяет настраиваться на определенную линию поглощения, что обеспечивает селективное возбуждение детектируемого вещества на фоне других компонентов. Характерен в этом отношении пример определения концентрации йода. Несмотря на то, что смещение линий поглощения изотопов йода составляет порядка 1 Гц, настройка линии излучения He-Ne лазера на центр линии того либо иного изотопа позволяет избирательно определять концентрацию одного изотопа на фоне на пять порядков больших концентраций другого.

Во-вторых, населенность возбуждаемых состояний оказывается достаточно большой для возбуждения интенсивных флуоресцентных спектров. Вследствие этого оказывается возможным измерять очень маленькие концентрации веществ. Измерения проводят с помощью кюветных и дистанционных (лидарных) методов (см. ниже). В первом случае производится забор пробы газа (в частности, непрерывная прокачка) из воздуха в измерительную кювету, где возбуждается флуоресценция и определяется концентрация исследуемого газа. При лидарных методах в качестве источника используются импульсные лазеры. Испущенный импульс вызывает в атмосфере флуоресценцию молекулярных компонентов. Импульс, возвратившийся обратно от объема детектируемого газа, расстояние до которого определяется по времени задержки от момента испускания до момента приема обратного импульса, регистрируется приемником.

В-третьих, в отличие от других высокочувствительных (в частности, химических) флуоресцентная методика имеет важное преимущество – возможность проведения измерений в реальном масштабе времени, что существенно расширяет границы ее применения.

В настоящее время подобные методы получили широкое распространение для проведения экологического мониторинга атмосферы. Чувствительность позволяет проводить измерения практически всех компонентов атмосферного воздуха на уровне предельно допустимых концентраций.

Как уже упоминалось, метод лазерно-возбуждаемой флуоресценции может на практике быть реализован двумя способами. В первом (кюветном) способе анализируемая газовая смесь непрерывно прокачивается через измерительную кювету, через которую пропускается излучение лазера. Это излучение возбуждает флуоресценцию детектируемого вещества, которая регистрируется посредством фотоприемников. Зарегистрированная интенсивность сопоставляется с концентрацией вещества исходя из известных величин сечений поглощения на данной длине волны, а также сечений излучательной релаксации и, возможно, других каналов распада возбужденных состояний. Преимуществом использования кюветных способов является относительная простота экспериментальных установок, а также их мобильность. Основной недостаток заключается в невозможности детектирования веществ а атмосферных слоях, удаленных от поверхности Земли.

Одна из наиболее распространенных дистанционных экспериментальных схем лазерно-флуоресцентного метода выглядит следующим образом. Испущенный с поверхности Земли лазерный импульс испытывает в атмосфере молекулярное рэлеевское рассеяния, рассеяние Ми на крупных частицах (аэрозоле), комбинационное рассеяние (об этом будет рассказано в следующем разделе) или флуоресценцию на молекулах. Обычно источник излучения и приемник локализованы в одной установке, так что регистрируется импульс, возвратившийся обратно от объекта, расстояние до которого определяется по времени задержки от момента испускания до момента приема обратного импульса. По интенсивности обратного импульса делается вывод о концентрации детектируемого вещества. Регистрируя импульсы с различными временами задержки, можно получить пространственное разрешение.

Длину поглощения L часто устанавливают, помещая на расстоянии L/2 от источника уголковый отражатель. Можно также разместить лазер на самолете (или спутнике), а приемник – на земле. Для того чтобы уменьшить расходимость, лазерный пучок расширяют с помощью телескопа. Уголковый отражатель отражает пучок точно назад. Он попадает на расщепляющую пластинку и с нее на спектрометр. С помощью набора фотодиодов, установленного в плоскости изображения спектрометра, можно одновременно регистрировать весь спектр лазера, генерирующего на многих линиях. Можно организовать регистрацию таким образом, чтобы одна половина фотодиодов использовалась для регистрации спектра лазера, а другая половина – для регистрации спектра отраженного пучка.

Приборы, работающие по рассмотренной дистанционной схеме, получили название лидаров (lidar - light detection and ranging).

Во многих случаях для зондирования атмосферы на больших расстояниях нельзя использовать уголковые отражатели. При этом для приема сигнала можно использовать рассеяние лазерного излучения частицами аэрозолей.

Тема 28. Метод комбинационного рассеяния и абсорбционный метод детектирования веществ

Сущность метода КР заключается в следующем. КР можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с молекулой, находящейся на начальном энергетическом уровне Ei. В результате столкновения появляется фотон либо с меньшей, либо с большей, либо с той же самой энергией, а молекула оказывается либо на более высоком, либо на более низком, либо на том же самом (исходном) энергетическом уровне:

. (28.1)

Разность энергий Ei-Ef=h(wi-wf) может быть энергией колебательного, вращательного или электронного возбуждения молекулы.

Если с точки зрения классической физики на систему наложить переменное внешнее электрическое поле, то в ней будет индуцироваться дипольный момент, связанный с внешним электрическим полем выражением:

, (28.2)

где - частота колебаний падающей электромагнитной волны, a – поляризуемость молекулы. Если поляризуемость рассматриваемой молекулы не является постоянной, а, как это имеет место для колеблющейся молекулы, периодически меняется с частотой , то тогда ее можно представить в виде:

. (28.3)

Тогда для наведенного дипольного момента получим:

. (28.4)

Эту формулу можно переписать в следующем виде:

. (28.5) Первый член соответствует колебанию с частотой падающего света. Этот член обусловливает обычное так называемое рэлеевское рассеяние. Второй и третий члены изменяются с частотами и и приводят к появлению КР, с частотой стоксовой линии и с частотой антистоксовой линии. С точки зрения классической электродинамики каждая система, дипольный момент которой меняется, излучает электромагнитную энергию с частотой изменения этого дипольного момента. Именно поэтому, если в системе под действием падающей электромагнитной волны возникает переменный дипольный момент, то за счет него происходит излучение электромагнитной энергии. В данном случае, если наведенный дипольный момент меняется по закону (28.2), то будут излучаться электромагнитные волны с частотами , и .

С квантовой точки зрения при акте КР происходит одновременно два процесса: возбуждение молекулы с поглощением падающего фотона и одновременное излучение фотона. Если молекула при акте испускания фотона переходит точно в исходное состояние, то излучается электромагнитная энергия той же частоты. Это соответствует обычному рэлеевскому рассеянию. Если молекула, излучая фотон, переходит в некоторое состояние, энергия которого выше, чем энергия основного состояния, то происходит КР стоксового типа. Если молекула в результате испускания фотона переходит в состояние ниже исходного, то происходит рассеяние антистоксового типа. Все эти случаи показаны на слайде.

Принято различать три типа КР: обычное (спонтанное) КР, когда энергия падающего кванта сильно отличается от расстояния между двумя ближайшими электронными уровнями; случай так называемого резонансного КР, когда энергия кванта приблизительно соответствует энергии, необходимой для перевода молекул из одного электронного состояния в другое; наконец, случай так называемого вынужденного КР, которое наблюдается при воздействии на систему мощным лазерным излучением.

Спектроскопия КР в течение многих лет является мощным способом исследования молекул, в том числе и в вопросах определения их концентраций. В долазерную эру основным ее недостатком являлось отсутствие достаточно интенсивных источников линейчатого излучения. Применение лазеров безусловно революционизировало эту классическую область спектроскопии. Лазеры не только значительно увеличили чувствительность спектроскопии спонтанного КР, но в еще большей степени стимулировали развитие новых спектроскопических методов, основанных на вынужденном КР, таких, как когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС). Научные исследования по лазерной спектроскопии КР в последнее время существенно расширились и количество публикаций в этой области очень велико.

Эффективные сечения спонтанного КР очень малы, их характерный порядок величины 10-30 см2. Задача детектирования слабых сигналов в присутствии интенсивного фона излучения является отнюдь не тривиальной. Достижимое отношение сигнала к шуму зависит как от интенсивности накачки, так и от чувствительности приемника. Интенсивность света можно значительно увеличить, используя многоходовые кюветы, внутрирезонаторные методы либо то и другое в комбинации.

Абсорбционная спектроскопия незаменима при исследованиях в тех областях спектра, где флуоресценция и КР слабы или отсутствуют вовсе. Спектр поглощения регистрируется прямым измерением прошедшего через образец света или одним из многочисленных косвенных методов. Для наблюдения слабых и запрещенных переходов применяются длинные или многопроходные кюветы. Использование перестраиваемых лазеров в качестве источников излучения позволяет обойтись без щелевых диафрагм и дифракционных решеток.

Для определения концентрации исследуемого газа (атомарного либо молекулярного) используется измерение полного ослабления лазерного пучка на известном расстоянии L. Коэффициент поглощения примеси с концентрацией ni и сечением поглощения ( - частота излучения, на которой производятся измерения) определяется с помощью следующего выражения:

, (28.6)

где p и T – давление и температура исследуемого газа соответственно.

Из приведенного выражения видно, что сечение поглощения может зависеть как от температуры (вследствие зависимости от Т доплеровского уширения линии), так и от давления (вследствие столкновительного уширения).

Для того чтобы отделить вклад в поглощение конкретной примеси, необходимо подобрать частоту лазера таким образом, чтобы она совпадала с линией поглощения этой примеси. Если из-за переналожения полос поглощения различных молекул это невозможно, следует проводить измерения на нескольких частотах. В результате коэффициент поглощения и концентрацию детектируемой примеси можно определить путем измерения величины , которая соответствует различию в ослаблении лазерного пучка в максимуме поглощения и на частоте, сдвинутой на величину .

Большинство имеющихся в атмосфере полярных молекул можно регистрировать по их характеристическим колебательно-вращательным линиям ближнего инфракрасного диапазона. Для измерения их концентраций можно использовать лазеры инфракрасного диапазона. Для одновременного обнаружения нескольких составляющих атмосферы, в частности, хорошо подходят HF-, DF-, СО2- или СО-лазеры, генерирующие одновременно на многих линиях.

Как уже отмечалось, к группе лидарных относятся методы, использующие импульсный лазер как источник излучения. Независимо от того, какой из физических методов вызывает возникновение обратного сигнала, величину этого сигнала можно выразить с помощью общего для всех случаев соотношения, называемого либо уравнением лазерной локации, либо, более коротко, уравнением лидара (лидарным уравнением):

, (28.7)

где - коэффициент оптических потерь, P0 – начальная мощность импульса, A – апертура приемника, L – расстояние до зондируемого объекта, - длительность импульса, - протяженность области, из которой излучение одновременно воспринимается приемником, T1 – прозрачность атмосферы на пути от источника до зондируемого объекта на частоте источника , T2 – прозрачность атмосферы для обратного сигнала на его частоте , ’ - объемный коэффициент рассеяния излучения из зондируемого объема в единичный телесный угол.

В зависимости от выбранного метода, информация о концентрации вредного вещества извлекается либо из величины T1-T2=T (в случае использования абсорбционного метода, который может быть применен для детектирования как молекулярных газов, так и аэрозолей), либо из величины (при использовании методов КР, флуоресценции, регистрации аэрозолей).

При использовании КР имеем:

, (28.8)

где - полное сечение КР, - телесный угол, N – число рассеивающих частиц в единице зондируемого объема.

Значение для некоторых загрязнителей, а также значения сдвига по частоте соответствующих полос КР относительно частоты источника различны и лежат в большинстве случаев от нескольких сотен до нескольких тысяч обратных сантиметров.

В методе резонансной флуоресценции:

, (28.9)

где - полное эффективное сечение резонансной флуоресценции.

Для него справедливо следующее выражение:

,

где - средний коэффициент поглощения, - фактор Франка-Кондона для перехода между уровнями и , - естественное время жизни возбужденного состояния, n0 – число молекул в единице объема при нормальном давлении, N0 – число молекул газа, тушащего флуоресценцию, в единице объема, - полный коэффициент тушения флуоресценции для уровня .

Существует также ряд различных вариаций рассмотренной классической схемы лидара.

1. Метод поглощения рассеянного назад излучения с использованием в качестве отражателей топологических особенностей местности, чтобы не пользоваться удаленным отражателем. При практической реализации этого метода значительно меньшая величина мощности отраженной от разбросанных отражателей, например зданий, должна быть скомпенсирована более высокой выходной мощностью лазера.

2. Метод поглощения рассеянного назад (рассеяние Ми) излучения. В нем чувствительность резонансного поглощения сочетается с широкими возможностями, характерными для рассеяния в атмосфере. Информация об области загрязнения может быть получена при стробировании сигнала инфракрасного детектора, как это осуществляется в лидаре. Для использования данного метода необходимо, чтобы частота излучения последовательных лазерных импульсов с пиковой мощностью порядка 106 Вт поочередно настраивалась в резонанс и вне резонанса с сильной линией поглощения газа в инфракрасном диапазоне.

Тема 29. Лазерный мониторинг атмосферы

Среди газоаналитических приборов, применяющихся для контроля атмосферных загрязнений, видное место занимают инфракрасные газоанализаторы (ИК ГА). Различные типы ИК ГА отличаются наличием или отсутствием в них диспергирующего либо фильтрующих элементов, различием оптических схем и приемников излучения.

Недисперсионные ГА являются одним из основных типов газоанализаторов. В большом количестве случаев в них используется оптико-акустический приемник. Возможности оптоакустических ГА с тепловым источником изучены достаточно глубоко как теоретически, так и экспериментально.

Среди основных достоинств недисперсионных ГА можно выделить широту диапазона измеряемых концентраций от 102 до 10-4% при точности измерений не хуже 0.5%, малую инерционность при относительной простоте конструкции.

Чувствительность данного типа ГА определяется в основном конструктивными и техническими параметрами узлов прибора, к которым в качестве основных предъявляются требования компактности, надежности и простоты эксплуатации прибора. Поэтому в ряде случаев при высокой детектирующей способности этих приборов чувствительность самого прибора остается сравнительно невысокой. Существенную роль играет также наложение полос паразитных компонент на полосы поглощения детектируемого вещества. В связи с этим для повышения селективности представляется целесообразным работать в более узком спектральном интервале, что может быть, в частности, достигнуто за счет использования лазерных источников. Для калибровки ИК ГА используются, как правило, либо эталонные смеси, либо образцовые приборы. Отметим, что ГА данного типа являются в большинстве случаев достаточно компактными приборами и поэтому могут устанавливаться на различных транспортных средствах.

В настоящее время активно исследуется возможность обнаружения и получения пространственной картины распределения вредных антропогенных газов в приземном слое атмосферы с борта искусственного спутника Земли (ИСЗ). Одним из перспективных вариантов практической реализации этой задачи является использование приборов, относящихся к классу видеоспектрорадиометрической системы – газовизоров. С помощью газовизора осуществляются измерения общего содержания газов на линни визирования прибора при наблюдении в направлении, близком к надиру на фоне земной поверхности. Измерения газов основаны на селективном поглощении солнечного излучения, которое отражается от земной поверхности, а также рассеивается на молекулах и аэрозоле в нижнем слое атмосферы, проходя через слой обнаруживаемых газов.

Многие исследования посвящены рассмотрению принципов построения и основных характеристик видеоспектрорадиометрической системы в видимой и УФ областях спектра для наблюдения с ИСЗ пространственной картины распределения вредных антропогенных газов в приземном слое атмосферы. Сущность одного из способов заключается в следующем. Измерения поля яркости проводятся с фильтром, настроенным на спектральные области полос газа большого поглощения (канал 1), а затем с фильтром на области малого поглощения (канал 2). Далее берётся отношение зарегистрированных яркостей в каналах 1 и 2, формируется изображение относительного контраста, которое подвергается цифровой обработке с целью снижения влияния инструментальных шумов, после чего производится вычитание величины относительного контраста, характерного для чистой приземной атмосферы. Калибровка прибора также осуществляется в единицах относительного контраста в зависимости от концентрации содержания примесных газов перед его входным зрачком.

Для определения интегрального содержания вредных веществ в вертикальном столбе атмосферы может использоваться лазерный абсорбционный метод по схеме: Земля-ИСЗ, ИСЗ-Земля, Земля-ИСЗ-Земля и ИСЗ-Земля-ИСЗ.

Применение метода ЛИФ рассмотрим на примере детектирования глобального радионуклида йода-129 в атмосферном воздухе. Данный изотоп йода является одним из четырех наиболее радиологически и биологически значимых радионуклидов ядерно-топливного цикла, который вносит заметный вклад в глобальную дозу облучения населения всего мира. Вообще, следует отметить, что находящийся сейчас в окружающей среде йод-129, в основном, искусственного происхождения, и поступает в биосферу в газовой и в жидкой фазе в результате переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) (свыше 99%). Существенно, что йод-129 как правило, находится в смеси с естественным изотопом йодом-127, что заметно затрудняет детектирование йода-129.

Как показывают экспериментальные и теоретические исследования, одним из наиболее перспективных методов, позволяющих решать указанные задачи, является метод лазерно-возбуждаемой флуоресценции. Для детектирования изотопов йода используется ряд лазеров, излучающих в видимом диапазоне спектра – аргоновый, неодимовый, криптоновый, рубиновый. В настоящее время широкое распространение получили исследования флуоресценции молекулярного йода, возбуждаемой излучением He-Ne (633 нм) лазера. Полученные результаты используются при разработке лазерных систем для контроля йода-129 в атмосферном воздухе. В ряде случаев такие системы позволяют проводить одновременное детектирование 127I и 129I в газовых смесях.

Следует отметить, что первоначально лучшие результаты по чувствительности детектирования йода-129 в технологической среде при переработке ОЯТ (7.5.1012 см-3) были получены при использовании аргонового лазера, излучающего на длине волны 514.5 нм. Как было установлено позднее, дальнейшее увеличение чувствительности детектирования йода-129 ограничивалось наличием достаточно большого количества диоксида азота как в технологической среде переработки ОЯТ (где содержание диоксида азота может составлять 1017-1018 см-3), так и в атмосферном воздухе (фоновое содержание NO2 – 1011-1012 см-3), флуоресценция которого наблюдалась в той же самой (стоксовой) области спектра, в которой наблюдалась и флуоресценция йода-129 при возбуждении лазерами зеленого диапазона спектра. Кроме того, существенно ограничивало точность измерений наличие в атмосферном воздухе естественного изотопа йода-127, содержание которого на несколько порядков превышает содержание йода-129.

Существует два эффективных способа преодоления возникших ограничений точности и чувствительности, основанных на лазерно-флуоресцентном методе.

Способ 1 основан на использовании лазерно-флуоресцентного метода на базе частотно-перестраиваемого He-Ne лазера на длине волны 633 нм. В этом случае в спектре флуоресценции йода-129 наблюдаются не только стоксовые, но и антистоксовые компоненты, в то время как в спектре флуоресценции NO2 антистоксовая область отсутствует. Частотная перестройка лазера в диапазоне 2 ГГц, достигаемая за счет наложения продольного магнитного поля на его активную среду, давала возможность точно настраиваться на центр определенной линии поглощения йода-129 и селективно детектировать его на фоне йода-127. Это позволило получить рекордную чувствительность детектирования йода-129 в реальном масштабе времени – порядка 1010 см-3 в технологической среде горячих камер при переработке ОЯТ и 108 см-3 в естественной атмосфере. Данная чувствительность достигается при условии, что концентрация йода-127 в анализируемой газовой смеси превышает концентрацию йода-129 не более, чем на три порядка (так называемое граничное отношение концентраций этих изотопов). Такое соотношение концентраций может иметь место на территориях, непосредственно прилегающих к перерабатывающим ОЯТ комбинатам.

В способе 2 используется Kr лазер на длине волны 647.1 нм. Экспериментально полученные спектры флуоресценции йода-127 и йода-129 представлены на слайде. Видно, что спектры состоят как из стоксовой, так и из антистоксовой областей. При этом для йода-127 спектральные линии с наибольшей интенсивностью расположены в антистоксовой области, для смеси изотопов – в стоксовой, а суммарные интенсивности обоих спектров приблизительно одинаковы. В таблице на слайде приведены соотношения интенсивностей в стоксовой и антистоксовой областях для обоих спектров.

Полученные величины граничных отношений концентраций йода-127 и йода-129 находятся на уровне, соответствующем одним из наилучших результатов, имеющихся в настоящее время, а сам метод является существенно более простым, поскольку позволяет использовать обычные серийно выпускаемые лазеры, что особенно важно при эксплуатации соответствующей лазерной системы в заводских условиях.

Имеются численные решения лидарного уравнения для обратного КР различных изотопов йода, включая глобальный радионуклид йод-129, для длин волн излучения ряда лазеров: неодимового, рубинового, на парах меди и эксимерного (XeCl). Получены оптимальные длины волн зондирующего излучения для обнаружения минимально возможной концентрации молекулярного йода. Использование лазеров с мощностью порядка 10 МВт, излучающих на выбранных длинах волн, позволит зарегистрировать концентрацию молекул йода на уровне 1013 см-3, тогда как для такой же мощности на других волнах значение регистрируемой концентрации составляет 1015-10-16 см-3. При этом при высокой частоте следования импульсов (в частности, при использовании лазера на парах меди) имеется возможность без потери пространственного разрешения повысить мощность КР в режиме накопления сигнала по N импульсам в N1/2 раз. Дальнейшее повышение чувствительности лидара может быть достигнуто за счет увеличения диаметра приемного телескопа.

Сибирская лидарная станция (СЛС) Института оптики атмосферы СО РАН сформирована на базе двух стационарных лидарных комплексов. Основные характеристики этих каналов приведены в таблице на слайде. В качестве передатчиков излучения в лидарах в параллельном режиме используются лазерные источники, излучающие на длинах волн в ультрафиолетовом (эксимерные XeCl лазеры) и видимом (Nd:ИАГ лазер) спектральных диапазонах. Наряду с крупногабаритными телескопами дополнительно используются телескопы меньшего диаметра – 0.5 и 0.3 м. Длиннофокусный телескоп с зеркалом 2.2 м обеспечивает регистрацию лидарных сигналов в диапазоне высот 30-60 км, телескоп с диаметром зеркала 1 м – в диапазоне 15-40 км, телескоп с диаметром зеркала 0.5 м – в диапазоне 10-30 км, телескоп с диаметром зеркала 0.3 м – в диапазоне 6-15 км. Отсечка сигналов из атмосферных слоев ниже указанных диапазонов высот осуществляется активно с помощью механических отсекателей либо пассивно за счет большой базы передатчик – приемник.

Метод, основанный на прямом анализе эмиссионных спектров лазерно-нндуцированной плазмы и известный как LIBS (Laser Induced Breakdown Spectrometry), применялся для химического дистанционного анализа радиоактивных и токсичных элементов в шлейфах выбросов предприятий ЯТЦ. Одним из важных достоинств данного метода является тот факт, что при использовании эмиссионных спектров лазерной плазмы в качестве индикаторов анализ является поэлементным и не зависит от структуры, в которую этот элемент включен, так как выделяются спектральные линии ионов элемента, т.е. не важно, в аэрозолях или молекулярных соединениях газового выброса находится искомое вещество. Кроме того, отпадает необходимость специальной подготовки образцов и появляется возможность для дистанционного анализа, так как лазерные источники, существующие в настоящее время, позволяют создавать пробои в воздухе на расстояниях, достаточно удаленных от источника, до 500 м и более.

С развитием техники мощных лазеров появляется возможность использования специфического и весьма обширного класса нелинейных и когерентных взаимодействий света со средой в качестве новых методов лазерного зондирования параметров атмосферы, в первую очередь тех из них, которые могут быть эффективно измерены традиционно. При этом дистанционные оптические (включая лазерные) и микроволновые методы определения радиоволнового загрязнения атмосферы являются более чувствительными и относительно недорогими. В принципе они позволяют дистанционно изучать радиационные загрязнения на различных высотах и территориях различного масштаба.

Обобщая результаты теоретического анализа и практических реализаций лазерных спектрометрических методов регистрации газообразных загрязнений атмосферы, можно сделать некоторые выводы об областях применения тех или иных методов.

Предельно допустимые концентрации в рабочей зоне предприятий, как правило, лежат для различных вредных веществ в диапазоне 1-100 ppm. Для контроля таких концентраций целесообразно использовать инфракрасные газоанализаторы как наиболее простые, компактные, дешевые и надежные устройства. Одним из наиболее подходящих методов является абсорбционный. Для калибровки этих устройств необходимо использовать поверочные газовые смеси, что является их определенным недостатком.

В воздушных бассейнах населенных пунктов величины предельно допустимых концентраций вредных веществ составляют 10-3 – 10-1 ppm. Для детектирования этих веществ представляется перспективным использование лазерных газоанализаторов на основе методов флуоресценции и КР. При необходимости обеспечения селективности измерений возможно использование лазеров, излучающих на нескольких длинах волн.

Метод КР имеет хорошие перспективы также и для измерения концентраций загрязняющих веществ, находящихся на больших расстояниях (более 100 м) до источника. Одним из наиболее существенных преимуществ данного метода является обеспечение комплексного анализа с определение содержания сразу нескольких компонент. Наилучшая чувствительность достигается при гетеродинном приеме собственного излучения.

При расстояниях до источника порядка или более километра и при концентрациях вредных веществ на уровне 10-3 ppm могут успешно использоваться методы резонансного КР либо лидарный абсорбционный метод. При измерении более низких концентраций эффективными являются интегральные методы, в частности, лазерный абсорбционный метод с использованием трасс длиной в несколько километров.

Локальные измерения с помощью лазерных спектрометров, расположенных на летательных аппаратах, позволяют проводить измерения концентраций 10-4 – 10-2 ppm практически с любым разрешением по высоте в любое время суток.

Лазерная локация поверхности Земли с приемом отраженного сигнала на летательном аппарате, совершающим полет либо на постоянной, либо на переменной высоте, дает возможность проводить измерения профиля концентраций на уровне 10-4 – 10-1 ppm в диапазоне высот 0-30 км также в любое время суток.

Метод резонансной флуоресценции при лазерном зондировании атмосферы с поверхности Земли позволяет регистрировать вредные вещества (в частности, пары металлов) на высотах до 100 км с чувствительностью 104 см-3.

Тема 30. Лазерное разделение изотопов

В основе метода лазерного разделения изотопов лежит возможность селективного возбуждения лазерным излучением атомов и молекул определенного изотопного состава. Эта возможность возникает из-за эффекта изотопического сдвига энергетических состояний, обусловленного различиями в массах частиц разных изотопов. Идея лазерного разделения изотопов впервые была высказана еще в 70-х годах двадцатого века. Однако ее реализация была в то время затруднена из-за отсутствия мощных лазерных источников, излучающих в требуемых спектральных диапазонах (прежде всего, в ИК области спектра).

Один из первых методов лазерного разделения изотопов, основанный на селективной фотоионизации атомов, был предложен В.С. Летоховым. Пусть имеется газовая смесь атомов одного и того же вещества, содержащая изотопы А и В, у которых вследствие изотопического сдвига уровни энергии и смещены на величину (рисунок на слайде). Тогда при воздействии на эту смесь излучением лазера, частота которого n1 резонансна переходу между уровнями 0 и 1 изотопа А, будет возбуждаться только уровень 1 этого изотопа. Далее излучением второго лазера с частотой n2 изотоп А ионизируется, после чего этот изотоп выводится из смеси различными способами, например, с помощью электрического поля. Таким образом, описанный процесс является двухступенчатым.

На практике предложенный способ может быть реализован следующим образом. Пучок атомов влетает с определенной скоростью V в область взаимодействия с лазерным излучением, длина которой равна L вдоль по потоку (рисунок на слайде). В начале потока концентрация атомов нужного изотопного состава равна N1. Пучок последовательно взаимодействует с излучением двух лазеров, в результате чего на выходе из области взаимодействия концентрация ионов нужного изотопа увеличивается до N2. Соответственно мерой эффективности способа является отношение N2/N1. В зависимости от условий, при которых осуществляется разделение изотопов, эффективность может быть существенно разной.

Пусть, например, лазеры работают в непрерывном режиме с постоянной мощностью, и их излучение падает нормально по направлению к пучку атомов. Введем время пролета атомов через область взаимодействия с лазерным излучением. Для того, чтобы метод был эффективен, это время должно быть больше по сравнению со временем жизни возбужденного 1-го уровня . В противном случае населенность уровня 1 будет слишком низкой. Это означает, что переходы 10 должны быть запрещены в приближении электрического диполя. Однако необходимо учитывать возможное насыщение уровня 1 излучением первого лазера. Если - плотность мощности излучения первого лазера, то вероятность индуцированных переходов 01 (B12 – коэффициент Эйнштейна для соответствующего перехода). Тогда возможны 2 случая: <<1 или >>1.

В первом случае, который соответствует отсутствию насыщения на переходе 01:

, (30.1)

где величину можно рассматривать как эффективное время жизни 1-го уровня изотопа А.

Во втором случае (в условиях насыщения перехода 01) выражение для остается тем же самым, однако эффективное время жизни в нем определяется выражением:

(30.2)

и становится существенно больше по сравнению с первым случаем.

Поэтому эффективность при прочих равных условиях значительно взрастает.

Максимально достижимое значение , что означает ионизацию всех атомов нужного изотопа, изначально присутствующих в смеси. Это значение достигается в предельном случае, когда . Из этого, казалось бы, следует, что чем меньше скорость потока, тем выше эффективность разделения изотопов. Однако это не так. Проведенное выше рассмотрение не учитывает ряд процессов, приводящих к уменьшению эффективности метода. Основными из них являются следующие. Во-первых, энергетические состояния имеют конечную ширину, обусловленную как столкновительными процессами, так и эффектом Допплера, причем ширина линии поглощения на переходе 01 может оказаться сравнимой по порядку с величиной . Тогда наряду с возбуждением 1-го уровня изотопа А излучением с частотой n1 частично будет возбуждаться и 1-й уровень и изотопа В, что ухудшает селективность метода, поскольку под воздействием излучения с частотой n2 изотоп В также будет ионизироваться. Во-вторых, при столкновениях атомов двух изотопов между собой возможны следующие процессы:

A(1)+B(0) A(0)+B(1), (30.3)

A++В A+В+. (30.4)

Первый процесс называется резонансной передачей энергии, а второй – резонансной перезарядкой.

Поскольку столкновительная ширина прямо пропорциональна концентрации атомов, то возникает ограничение на максимально возможные плотности газа и, как следствие, на эффективность метода. Для уменьшения доплеровской ширины и максимального исключения столкновений используются хорошо коллимированные пучки.

Численные оценки дают следующие результаты. Выбор длины области взаимодействия и скорости потока газа определяется величиной , которая в свою очередь зависит от плотностей мощности излучения лазеров. В условиях насыщения перехода 01 зависит только от плотности мощности второго лазера. Для характерных величин сечений переходов порядка 10-17 см2 в видимой области спектра, при поперечных сечениях пучка газа, составляющих доли сантиметра, можно получитьмс при плотностях мощности второго лазера на уровне сотен ватт на квадратный сантиметр. Тогда без учета резонансной передачи энергии и резонансной перезарядки значение может быть достигнуто при скорости потока порядка 104 см/c, длине области взаимодействия 2-3 см и при плотности мощности первого лазера порядка сотен милливатт на квадратный сантиметр.

При учете резонансной передачи энергии и резонансной перезарядки значение также может быть достигнуто, однако при этом существенно снижается производительность метода, что является существенным ограничением для его применения в промышленных масштабах.

Помимо двухступенчатого метода может быть применена также многоступенчатая фотоионизация нужного сорта изотопа. Так, для разделения изотопов урана была использована четырехступенчатая фотоионизация, в которой использовались 3 лазера, излучающие в видимой области спектра, которые последовательно переводили нужный изотоп урана из основного состояния на все более высокие уровни энергии, и 4-й лазер, излучение которого на последнем этапе ионизировало этот изотоп.

Для разделения изотопов молекул также может быть использована селективная N-ступенчатая фотоионизация (в данном случае это фотодиссоциация), которая во многих отношениях аналогична разделению изотопов атомов.

Фотодиссоциация молекулы может быть обеспечена и при использовании только одного ИК-лазера, частота излучения которого резонансна первому колебательному кванту молекулы. При этом необходимо, чтобы плотность мощности источника и вероятность перехода 01 были большими. Высокая селективность метода достигается при импульсном возбуждении, когда длительность импульса меньше времен газокинетических столкновений, поскольку при этом столкновительные процессы не успевают ухудшить степень селективности возбуждения нужного изотопа. Такой метод называется методом мгновенной диссоциации. Очевидно, что для достижения энергии диссоциации молекула должна поглотить несколько десятков квантов света. Это было бы возможно при отсутствии ангармонзма. При наличии же ангармонизма чисто радиационное поглощение не может являться объяснением диссоциации молекулы в случае облучения излучением с фиксированной частотой, резонансной только первому колебательному кванту. Привлечение механизма VV-обмена не может помочь в данном случае, поскольку в процессах VV-обмена эффективно заселяются колебательные состояния до определенного значения колебательного квантового числа. Далее населенность начинает быстро падать вследствие того, что скорость VT-релаксации начинает существенно превышать скорость VV-обмена.

Для объяснения диссоциации молекул необходимо вспомнить о наличии вращательной структуры, большом количестве колебательных состояний многоатомных молекул и о возникновении динамического эффекта Штарка в сильных электромагнитных полях, который приводит к уширению энергетических состояний. Все эти факторы приводят к тому, что выход излучения из резонанса по мере поглощения молекулами квантов света компенсируется конечной шириной энергетических состояний. Расстояние между состояниями может быть сравнимо или даже меньше ширины этих состояний, что приводит к квазинепрерывным полосам поглощения.

Возможна также ситуация, когда излучение лазера c частотой, резонансной частоте первого колебательного кванта основного электронного состояния, приводит к переходу молекулы в более высокое электронное состояние. Это происходит тогда, когда дно потенциальной кривой более высокого электронного состояния расположено ниже энергии диссоциации основного электронного состояния. Процессы поглощения при этом происходят по рассмотренной выше схеме с тем лишь исключением, что переход в непрерывный спектр в конечном итоге происходит из возбужденного электронного состояния.

В любом случае, необходимым условием для того, чтобы рассмотренные методы имели высокую эффективность, является требование, чтобы величина изотопического сдвига была большей по сравнению с величиной ангармонизма. С учетом того, что величина изотопического сдвига падает с ростом массы, эти методы трудно реализовать на практике для тяжелых молекул.

Помимо рассмотренных процессов многоступенчатой фотодиссоциации для разделения изотопов можно использовать одноступенчатые методы. Таких методов несколько. Один из них является заключается в том, что сначала излучением лазера нужный изотоп переводится в возбужденное состояние. Далее возбужденный изотоп вступает в химическую реакцию с неким веществом (если изотоп находится в основном состоянии, химическая реакция не идет) и переходит в другое агрегатное состояние, что и позволяет разделить изотопы.

Еще более перспективным является метод одноступенчатой фотопредиссоциации. Если возбужденное связанное электронное состояние молекулы пересекается с отталкивательным (рисунок на слайде), то вероятность предиссоциации велика в небольшом диапазоне колебательных квантовых чисел возбужденного электронного состояния. Это позволяет изотопически-селективно возбуждать нужный диапазон колебательных состояний при облучении смеси изотопов монохроматическим лазерным излучением. Стоит отметить, что скорости предиссоциации существенно превышают скорости колебательной релаксации, что позволяет добиваться высокой эффективности метода.

Одним из преимуществ использования метода одноступенчатой фотопредиссоциации является большое количество частотно-перестраиваемых лазеров, перекрывающих спектральный диапазон от УФ до ИК областей. Это позволяет подобрать нужный источник излучения для огромного числа молекул.

Один из общих недостатков всех методов разделения изотопов состоит в том, что в них достаточно сложно избежать нежелательных столкновений между частицами. Во многом преодолеть это препятствие позволяют так называемые пучковые методы, когда химические реакции происходят в скрещенных молекулярных пучках. В пучках практически исключаются все столкновения, кроме столкновений между частицами-реагентами химических реакций.

Не все рассмотренные методы разделения изотопов к настоящему времени получили широкое распространение – одни остаются лишь теоретическими возможностями, другие используются в лабораторных экспериментах. Одним из методов, который успешно применяется на промышленном уровне, является метод селективной фотоионизации, использующийся для разделения изотопов атомов.

В самом простом варианте схема экспериментальной установки приведена на слайде.

Процесс разделения изотопов включает в себя следующие этапы. Сначала получают пар смеси изотопов из твердой фазы. В случае легкоплавких веществ это может осуществляться нагревом в печке, для тугоплавких веществ применяется испарение пучком электронов. Затем полученный пар ионизируется излучением нескольких лазеров. Основная задача, которая должна быть решена на этом этапе, заключается в обеспечении селективной ионизации нужного изотопа. Поэтому излучение лазеров должно быть высокостабильным по частоте, настроенной на переходы только одного изотопа. И, наконец, ионизированные атомы экстрагируются из смеси с помощью электрического поля (или с помощью комбинации электрического и магнитного полей) и переводятся в ту либо иную форму с помощью разнообразных химических методов.

Метод селективной фотоионизации используется для получения больших количеств смесей, слабо обогащенных ураном-235, для атомной энергетики. Другой областью его применения является получение, наоборот, существенно меньших количеств высоко обогащенных продуктов, таких как иттербий-168 и изотопы палладия, с производительностью до нескольких килограммов в год.

Одной из распространенных схем селективной фотоионизации для получения иттербия-168 является трехступенчатая (рисунок на слайде). Для ионизации используются перестраивыемые лазеры на красителях, накачиваемые излучением медных лазеров. Селекция осуществляется на переходе с длиной волны 581.067 нм.

Основным состоянием иттербия является состояние 1S0. В соответствии с правилами отбора разрешенным оказывается переход 1S03P1 с длиной волны 555.648 нм. Однако на этом переходе не удается произвести селекцию иттербия-168, поскольку из-за наличия сверхтонкой структуры этого перехода и малых величин изотопических сдвигов расстояния между линиями поглощения иттебия-168 и изотопов иттербия-171 и иттербия-173 очень малы (168 см-1 и 180 см-1 соответственно).

Из состояния 3P1 иттербий может перейти в состояние (7/2, 3/2)2. На этом переходе расстояние между ближайшими линиями поглощения других изотопов существенно больше (минимальное расстояние равно 1488 см-1). Поэтому на данном переходе и осуществляется селекция иттербия-168.

Далее излучением с длиной волны 582.790 нм иттербий ионизируется вследствие перехода в автоионизационное состояние.

Практическая схема реализации описанного метода выглядит следующим образом. Фотоионизация оптически тонкого слоя паров иттербия с естественным содержанием изотопов осуществляется излучением трех совмещенных в пространстве пучков лазеров на красителях, имеющих линейную поляризацию излучения. Лазеры излучают в импульсном режиме с длительностью импульсов порядка 20 нс, задержка между импульсами варьируется в диапазоне от 0-80 нс. Средняя мощность импульса составляет порядка 1 Вт. Плотность паров иттербия в зоне ионизации - порядка 1015 см-3, поперечное сечение области ионизации - 5-10 см2, длина зоны ионизации - приблизительно 1 м. Полуширина лазерных линий на первой и второй ступенях возбуждения составляет порядка 0,5 ГГц. На третьей ступени ширина несколько больше, поскольку переходы в автоионизационные состояния имеют большую ширину.

В результате производительность получения обогащенного иттербия находится на уровне порядка 10 мг/час с долей иттербия-168 в обогащенной смеси до 60% (до обогащения доля иттербия в естественной смеси изотопов составляет примерно 0.14%).

Линии поглощения палладия, которые можно использовать в процессах многоступенчатой фотоионизации, находятся в ультрафиолетовой области спектра. Существует 3 схемы фотоионизации палладия.

Первая схема является двухступенчатой. Первый переход 1S03P1 (рисунок на слайде) возбуждается излучением с длиной волны 276.4 нм и является селектирующим. В результате второго перехода с длиной волны меньше 322 нм атом палладия ионизируется.

Во второй, трехступенчатой схеме, возбуждаются переходы из состояния 3P1 в одно из более высоко расположенных состояний (3D1, 1D2, 3S1, 3P2, 3P0, 3D2) излучением с длинами волн, лежащих в диапазоне 500-700 нм. Фотоионизация из этих состояний осуществляется излучением медного лазера.

В третьей схеме, так же как и в первой, сначала возбуждается переход 1S03P1 (рисунок на слайде). Далее состояние 3P1 спонтанно релаксирует в состояния 1D2, 3D1 и 3D2. После этого возбуждаются переходы в состояния электронной конфигурации 4d85s5p на длинах волн 255.1 нм, 245.4 нм, 231.7 нм и 223.6 нм. Эти переходы являются селектирующими. Для ионизации этих состояний могут использоваться источники, излучающими с длинами волн, меньшими 670 нм.

Тема 31. Лазерный термоядерный синтез

Еще одним направлением применения лазеров является использование их в термоядерных исследованиях. Задача управляемого термоядерного синтеза является одной из наиболее актуальных в современной физике. При синтезе ядер дейтерия и трития выделяется большое количество энергии – 17.6 МэВ в одной реакции. Такое энерговыделение с учетом того, что запасы дейтерия на Земле практически неисчерпаемы, а тритий может быть легко синтезирован, является крайне привлекательным с точки зрения возможности практического использования. Однако реализация термоядерного синтеза крайне затруднительна вследствие того, что для начала термоядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра дейтерия и трития на расстояния порядка 10-13 см, а для этого необходимо преодолеть кулоновский барьер.

Преодолеть электростатическое отталкивание можно путем нагрева вещества – в этом случае кинетическая энергия ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского барьера. Проблема заключается в том, что нагрев нужно осуществить до температур порядка 100 миллионов градусов (при таких температурах вещество находится в плазменном состоянии). Такие температуры соответствуют звездным, а на Земле могут реализовываться в термоядерных бомбах. Однако в обоих случаях термоядерные реакции происходят неуправляемо. Реализация же управляемого термоядерного синтеза является крайне сложной задачей.

Существует достаточно простой критерий, позволяющий получить количественные оценки параметров, которые должны быть обеспечены для реализации управляемого термоядерного синтеза. Вводится энергетический коэффициент усиления, равный отношению энергии, выделившейся в результате реакции синтеза Ec, к энергии, затраченной на нагрев вещества до нужной температуры Eн:

. (31.1)

Для того, чтобы величина Q сравнялась с единицей, необходимо выполнение так называемого критерия Лоусона:

, (31.2)

где N – концентрация дейтериево-тритиевой смеси, t – время эффективного протекания термоядерной реакции.

В настоящее время имеется два основных независимых подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза. Первый поход был предложен более полувека назад. В его основе лежала идея удержания и термоизоляции горячей плазмы с концентрацией дейтерия и трития порядка 1014-1015 см-3 в магнитном поле. Термоядерные реакции в этом случае должны протекать в режиме медленного горения с характерными временами t = 1-10 c. Данная идея была реализована в виде установок “Токамак”, созданных в СССР в 50-х годах прошлого века. Однако практическая реализация этого подхода столкнулась с огромными трудностями, связанными с гидродинамической неустойчивостью различных равновесных плазменных конфигураций и аномальной диффузией плазмы в магнитном поле.

Второй подход также был предложен более полувека назад и заключался в импульсном воздействии на вещество, при котором за короткое время в малом объеме вещества создаются очень высокие плотности. В этом случае термоядерная реакция протекает в виде взрыва умеренной мощности. Большое количество теоретических исследований, проведенных в ряде стран, позволило определить минимальные или пороговые энергии лазерного излучения, необходимые для реализации этого подхода (пороговая энергия лазера – это минимальная энергия, при которой в результате термоядерной реакции выделяется такое же количество энергии). Оказалось, что для достижения порога в случае облучения мишени, состоящей из равных количеств дейтерия и трития, необходимо обеспечить 108 Дж в лазерном импульсе. Несколько позже было показано, что лазерное излучение можно использовать не только для нагрева мишени, но и для ее сжатия до больших плотностей, превышающих на 4 порядка плотности твердого тела в нормальном состоянии (до 100-1000 г/см3). Для этого необходимо воздействовать на сферическую мишень одновременно и симметрично в разных направлениях излучением лазера. При этом оказалось, что пороговая энергия импульса лазера может быть уменьшена на несколько порядков: до 104 Дж в импульсе при его длительности в доли наносекунды, другими словами, требовались источники с мощностями 1013-1014 Вт в импульсе длительностью 10-10 с.

В то время таких лазерных источников не было, поэтому данный подход оставался чисто теоретическим до появления первых мощных лазеров – возникло направление исследований, получившее название лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). Началось строительство специализированных лазерных установок, активизировались теоретические исследования.

Физические процессы, приводящие к большим температурам и плотностям при воздействии на материал лазерным излучением, заключаются в следующем. При облучении мишени излучением лазером на ее поверхности образуется плазменная корона с температурой в несколько кэВ. Эта корона разлетается навстречу лазерному лучу с очень большими скоростями – до 107-108 см/с. Лазерное излучение проникает вглубь мишени до толщины, соответствующей так называемой критической электронной плотности nс, которая обратно пропорциональна квадрату длины волны излучения (например, на длине волны излучения неодимового лазера 1.06 мкм nс=10-21 см-3), и далее интенсивно поглощается. Кроме поглощения, часть излучения испытывает отражение и затем поглощается плазмой в результате обратного тормозного поглощения электронами плазмы. Вблизи критической плотности начинают развиваться процессы, приводящие к развитию в плазме параметрических неустойчивостей, которые могут как увеличивать, так и уменьшать долю поглощенного излучения. Уменьшение доли поглощенного излучения обусловлено процессами рассеяния излучения на плазменной короне – главным образом, рассеянием Мандельштама-Бриллюэна и вынужденным комбинационным рассеянием.

В результате процесса теплопроводности энергия поглощенного плазмой излучения передается в более плотные слои мишени. Таким образом, заметная доля энергии поглощенного плазмой излучения передается в кинетическую энергию вещества, которое устремляется к центру мишени, сжимая и разогревая дейтериево-тритиевую смесь. Вводится понятие гидродинамического КПД – отношения доли энергии лазерного излучения, идущей на разогрев и сжатие плазмы, к полной энергии лазерного излучения. Для того, чтобы говорить о возможности осуществления ЛТС, необходимо достижение КПД на уровне 10-20%.

Основные трудности достижения необходимых величин КПД заключаются в следующем. Во-первых, большая доля поглощенной энергии приводит к возникновению надтепловых электронов – электронов, температура которых существенно превышает температуру плазменной короны. Эти электроны обладают большой проникающей способностью, и длина их пробега оказывается сравнимой с размерами мишени. Это приводит к тому, что надтепловые электроны прогревают мишень еще до прохождения волны сжатия, и в результате величины предельно возможных сжатий оказываются недостижимыми. Во-вторых, в мишени могут развиваться гидродинамические неустойчивости, которые возникают из-за неидеальности сферической поверхности мишени и неоднородного распределения интенсивности лазерного излучения на ее поверхности. Эти неустойчивости приводит к отклонению в движении мишени по мере ее сжатия от центрально-симметричного, в результате чего в итоге форма сжатой мишени будет далека от идеальной сферической, а температура и плотность будут существенно меньше расчетных.

Самая простая из используемых схем называется схемой прямого нагрева. В такой схеме используется мишень, выполненная в виде одной сферической оболочки, внутри которой содержится дейтериево-тритиевое топливо. Материалом оболочки может служить, например, стекло. Расчеты показывают, что необходимая степень сжатия мишени может быт достигнута при отношении радиуса оболочки к ее толщине в несколько десятков. Однако использование такой схемы приводит к большим гидродинамическим неустойчивостям.

Заметные преимущества имеют схемы с многослойными оболочками. В такой схеме внутренняя оболочка из тяжелого метериала окружена внешней оболочкой из более легкого материала. При этом гидродинамические неустойчивости становятся существенно меньшими, и, значит, требования к форме лазерного импульса снижаются. Одним из главных недостатков таких схем является большая доля полной массы мишени, принадлежащей веществу, которое не принимает участия в термоядерной реакции. Кроме того, возникают неустойчивости, обусловленные большими градиентами плотностей при сжатии мишени и перемешивании материалов оболочек.

Проблему гидродинамических неоднородностей удается преодолевать за счет перехода к схемам непрямого сжатия мишени. В такой схеме излучение лазера фокусируется на внутренней поверхности внешней оболочки, для чего специальным образом заводится в соответствующую полость. Материалом внешней оболочки служит вещество с большим атомным номером (например, это может быть золото). Более 80% энергии лазерного излучения при взаимодействии с материалом внешней оболочки преобразуется в энергию мягкого рентгеновского излучения, которое нагревает и сжимает внутреннюю оболочку. Такая схема приводит к более однородному сжатию мишени, однако основные проблемы ее применения связаны со сложностями равномерного облучения внешней оболочки и с потерями энергии на возникновение рентгеновского излучения.

В одной из первых экспериментальных работ стеклянная мишень, заполненная газообразной смесью дейтерия и трития, облучалась излучением неодимового лазера на стекле с энергией порядка 200 Дж. Длительность импульса варьировалась от 30 пс до 1 нс. Используемые мишени представляли собой сферические стеклянные оболочки с диаметром 30-700 мкм и толщиной стенок от 0.5 до 12 мкм; давление газа изменялось от 1атм до 100 атм. Оптическая система позволяла достигать высокой симметрии облучения мишеней.

Вообще говоря, в первые годы развития лазерного термоядерного синтеза основным источником лазерного излучения служили неодимовые лазеры на стекле с длиной волны 1.06 мкм. Именно на этих лазерах могли быть получены наиболее подходящие свойства излучения: мощности и длительности импульсов, высокая направленность излучения с возможностью его фокусировки на мишени различных размеров. Другим источником являлись CО2-лазеры высокого давления, а также химические лазеры.

В России первые работы по ЛТС начались в середине 70-х годов ХХ века в Физическом институте им. П.Н. Лебедева. Так, на установке “Кальмар” были реализованы энергии лазерного излучения до 200 Дж и получена плотность смеси дейтерий-тритий порядка 10 г/см3. Дальнейшие исследования были продолжены как в этом институте на более мощной установке “Дельфин”, так и в Арзамасе-16 на установках “Искра-4” и “Искра-5”. В США активные работы по ЛТС ведутся в Ливерморской национальной лаборатории на установках “Нова” и “Шива” и в Рочестерском университете на установке “Омега”. В Японии для исследований ЛТС разработана установка “Гекко”.

Тенденцией последних лет является переход к лазерам, излучающим в более коротковолновых областях спектра (<0.5 мкм). Основное преимущество коротковолнового излучения заключается в том, что по мере уменьшения длины волны увеличивается поглощение в плазменной короне. Кроме того, существенно уменьшается доля надтепловых электронов, а в случае непрямого сжатия увеличивается коэффициент передачи поглощенной плазмой энергии в энергию мягкого рентгеновского излучения.

Достигнутые наилучшие результаты позволяют достигать плотностей в несколько сотен г/см3. Однако имеющиеся на сегодняшний день лазерные источники все еще не позволяют приблизиться к требуемым плотностям и температурам термоядерного топлива. Для успешной реализации ЛТС необходимы лазеры с энергией в несколько МДж и с частотой повторения импульсов в несколько герц, надежда на создание которые связана с новыми типами кристаллов.

Совсем недавно в Ливерморской национальной лаборатории был проведен эксперимент, в котором излучение 192 ультрафиолетовых лазеров направлялось в отверстие в сфере, внутренняя поверхность которой была покрыта золотом. Нагрев слоя золота приводил к генерации мощного рентгеновского излучения, фокусируемого в центр сферы. В эксперименте изучалась эффективность генерации и фокусировки излучения. В будущем планируется на два порядка увеличить мощность лазерного излучения и поместить в центр сферы мишень с дейтерием и тритием. Предполагается, что нагрев и испарение оболочки капсулы приведет к таким давлениям в ее центре, что это окажется достаточным для возникновения термоядерных реакций.

В России в настоящее время ведутся работы по разработке установки “Искра-6”. В этой установке в качестве источника используется неодимовый лазер на гармонике с длиной волны 0.35 мкм. Излучение лазера должно фокусироваться на мишень по 128 каналам. Предполагается, что энергия излучения должна достигать 300 кДж при длительности импульса 3 нс.

Тема 32. Лазерная очистка поверхностей

Очистка поверхностей заключается в удалении наружных загрязнений, являющихся результатом различных аспектов человеческой деятельности. В результате очистки здания, оборудование, почва возвращаются в исходное безопасное состояние и могут в дальнейшем либо повторно использоваться, либо ликвидироваться, но уже с гораздо меньшими затратами. В случае загрязнения поверхностей радиоактивными веществами (например, на атомных электростанциях) задача их очистки (дезактивации) является важной не только с точки зрения соблюдения медицинских требований к дозе облучения персонала, но и с точки зрения существенного снижения затрат на функционирование АЭС: при высоких интенсивностях облучения приходится чаще менять персонал, следовательно, требуется большее его количество.

Существует достаточно большое число стандартных способов очистки поверхностей, среди которых следует выделить прежде всего механические и химические. В случае механических способов загрязнение удаляется с поверхности механически, в случае химических способов поверхность обрабатывается различными химическими реактивами, в результате чего загрязняющее вещество вступает в химическую реакцию (растворяется) и удаляется с поверхности. Недостатки этих методов заключаются в том, что в результате обработки поверхностей возникают большие объемы отработанных ядовитых или радиоактивных материалов, которые нужно в дальнейшем каким-либо образом утилизировать. Кроме того, сам процесс очистки является небезопасным, поскольку при его проведении возможно разбрызгивание вредных веществ, а это требует тщательного контроля за всеми стадиями данного процесса. И, наконец, в процессе очистки задействуется большое количество персонала, который при проведении работ подвергается воздействию вредных химических веществ и (или) радиационному облучению. Все это приводит к тому, что дезактивация является достаточно дорогостоящим мероприятием.

В настоящее время начала активно развиваться технология лазерной очистки поверхностей. Сущность метода лазерной очистки заключается в том, что при воздействии на поверхность импульсом лазера достаточной мощности излучение поглощается в тонком поверхностном слое, вызывая испарение и ионизацию вещества, которое вылетает с поверхности в виде плазменного факела. Этот факел состоит из атомов и молекул вещества поверхности, находящихся в основном, возбужденном и ионизированных состояниях. В случае нормального падения лазерного излучения на поверхность плазменный факел вылетает практически перпендикулярно к ней со скоростями частиц порядка 105 см/c. Если обработка происходит в воздухе, то характерные расстояния разлета факела составляют несколько миллиметров. Для сбора разлетающихся частиц используются специальные коллекторы, эффективность сбора которых должна быть такой, чтобы вредные вещества не успевали снова осесть на поверхности или попасть в окружающую среду, загрязняя тем самым атмосферу.

Взаимодействие лазерного излучения с материалом поверхности осуществляется в три основных этапа. Сначала вещество испаряется с поверхностного слоя. Затем испаренная фракция разогревается лазерным излучением до состояния плазмы. Далее плазменный факел начинает расширяться в окружающую атмосферу. Первые два этапа происходят в течение лазерного импульса. Третий этап в случае наносекундных или более коротких импульсов начинается уже после окончания лазерного импульса.

Основными параметрами лазерного излучения, влияющими на эффективность процесса очистки, являются плотность мощности, длительность импульса и длина волны излучения. Плотность мощности должна быть достаточной для образования плазменного факела, длина волны определяет глубину проникновения излучения внутрь материала, а длительность импульса определяет глубину термического воздействия излучения.

Глубина проникновения излучения обратно пропорциональна коэффициенту поглощения материала поверхности. Для металлов (наиболее распространенный материал поверхности) коэффициент поглощения увеличивается с ростом длины волны излучения. Так, переход от излучения ближнего ИК диапазона к ближнему УФ диапазону может привести к увеличению коэффициента поглощения в десятки раз. При очистке поверхностей удаление материала происходит с различных толщин приповерхностных слоев в зависимости от конкретных условий. Поэтому в разных задачах могут использоваться лазеры различных спектральных диапазонов.

Глубина термического воздействия пропорциональна квадратному корню из длительности импульса. При очистке поверхности сильный нагрев вещества на больших глубинах нежелателен, вследствие чего импульсы должны быть наносекундными или даже еще более короткими.

Наиболее широко распространенными в сегодняшних промышленных приложениях лазерами являются лазер на двуокиси углерода (длина волны излучения 10.6 мкм), неодимовый лазер (1.06 мкм), и эксимерные лазеры (190-350 нм). Длительности импульсов излучения находятся в интервале от пико- до наносекунд, характерные энергии в импульсе составляют несколько джоулей на единицу площади.

Важным элементом технологических лазерно-очистных установок является система доставки лазерного излучения до очищаемой поверхности. Необходимость наличия такой системы определяется двумя обстоятельствами. Во-первых, удаление персонала от места обработки поверхности необходимо для уменьшения воздействия вредных и радиоактивных материалов. Во-вторых, во многих случаях приходится очищать труднодоступные участки (внутренние поверхности оборудования, труб и т. д.). Для доставки излучения обычно используются кварцевые оптические волокна. Это накладывает ограничения на минимально возможную длину волны лазерного излучения, поскольку максимально возможная мощность излучения, которая может быть передана по такому волокну, падает с уменьшением длины волны. Наименьшая длина волны, которая может быть использована для практического применения, находится вблизи 300 нм (эта область спектра совпадает со спектром излучения эксимерного XeCl лазера).

Таким образом, выбор оптимальных параметров лазерного излучения носит компромиссный характер и определяется кругом решаемых задач. Выбирать приходится, как правило, между возможностью доставки лазерного излучения по оптическим волокнам, эффективностью воздействия излучения на очищаемую поверхность с учетом минимизации остаточных повреждений поверхности после ее обработки. Например, излучение неодимового лазера очень хорошо можно передавать по волоконным световодам, однако ИК длина волны этого источника приводит к малым величинам коэффициентов поглощения излучения в металлах, причем энергия фотона много меньше энергии связи большинства окислов. Это приводит к тому, что для очистки металлических поверхностей от окислов требуются большие величины энергии импульса, что вызывает различные термические повреждения.

Существуют различные системы управлением процесса очистки в реальном масштабе времени, которые предназначены как для уменьшения степени вредного воздействия на персонал в процессе обработки поверхности, так и для снижения стоимости работ. В качестве систем управления используются телевизионные камеры и механические манипуляторы, позволяющие проводить процесс очистки дистанционно. Мониторинг процесса очистки может осуществляться различными косвенными методами, такими как регистрация акустических колебаний, оптическая спектроскопия, регистрация и анализ параметров электромагнитного поля плазмы.

Внешний вид лазерной технологической установки приведен на слайде. Высота установки составляет 2 м, ширина – 1.3 м, длина – 1.8 м. В качестве лазерного источника используется промышленный XeCl лазер марки CILAS 635, излучающий на длине волны 308 нм в виде импульсов длительностью 70 нс с частотой повторения 400 Гц и средней мощностью импульса 1 кВт. Длительность волоконного световода составляет 5 м. В состав установки входят насос с фильтром, предназначенный для сбора удаляемых с поверхностей загрязнений и робот-манипулятор, обеспечивающий дистанционное управление процессом очистки.

На слайде приведены фотографии окисленной поверхности образца нержавеющей стали до и после обработки 4 импульсами лазерного излучения с энергией 1.5 Дж/см2 в каждом импульсе. Видно, что в результате очистки оксидная пленка оказалась практически полностью удаленной. Кроме того, поверхность образца гладкая, что свидетельствует о минимальном уровне повреждений, связанных с термическими эффектами.

Данная установка в зависимости от вида загрязнений способна очищать поверхности со скоростями от 2 м2/ч до 6 м2/ч.

Приведем характеристики еще одной промышленной лазерной установки, основанной на использовании в качестве источника неодимового (1.06 мкм) лазера. Длительность импульсов излучения, повторяющихся с частотой 50 Гц, составляет 10 нс при мощности в импульсе 15 Вт. Максимальное удаление очищаемой поверхности от излучателя составляет 2 м, максимальная толщина очищаемого поверхностного слоя достигает 100 мкм. В таком режиме скорость очистки составляет порядка 0.3 м2/ч. Данная установка используется для бесконтактного удаления нагара с поверхности турбинных лопаток и дезактивации узлов и агрегатов атомных подводных лодок и ядерных энергетических установок.

Помимо рассмотренного механизма лазерной очистки, связанного с испарением загрязнений с поверхности, в случае очистки поверхностей от оксидных пленок возможно их удаление в результате отслаивания пленки от металла, обусловленное разницей в значениях коэффициентов линейного расширения пленки и металла. Этот подход является более энергетически выгодным, причем при таком механизме очистки можно избежать оплавления поверхности. Кроме того, при удалении пленки этим методом продукты дезактивации имеют вид аэрозолей довольно больших размеров (1-100 мкм), поэтому их легче улавливать фильтрами.

В последнее время активно развиваются методы лазерной дезактивации оборудования ядерных энергетических установок (ЯЭУ), снятых с эксплуатации. Лазерная дезактивация может решить проблему как радиационно-экологической безопасности в местах временного хранения поверхностно-загрязненных деталей и оборудования, так и обеспечить возврат дезактивированного оборудования в повторную эксплуатацию или переплав ценных металлов.

Основное загрязнение металлического оборудования ЯЭУ обусловлено образованием оксидных пленок, в состав которых входят изотопы 60Co, 80Co, 54Mn, 144Ce, 137Cs, 134Cs134 и др. Толщина пленки зависит от материала деталей, условий эксплуатации, условий хранения и, как правило, находится в пределах от 0,1 мкм до 100 мкм. Ниже мы приведем результаты разработки технологии лазерной дезактивации ЯЭУ, полученные в России в ТРИНИТИ в последние годы.

В зависимости от вида загрязнения и характера покрытия в лазерных установках могут использоваться различные типы лазеров. В случае оксидных пленок толщиной 1-10 мкм наилучшая эффективность дезактивации достигается при использовании лазеров с длинами волн, меньшими или порядка 1 мкм при длительности импульсов порядка 10 нс. Использование медного лазера со средней мощностью излучения 0.5 Вт, излучавшего в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения импульсов 8.8 кГц, длительности которых составляли 20 нс, при плотности мощности излучения на поверхности мишени 108 Вт/см2, позволило успешно удалить с цилиндрической циркониевой поверхности окись циркония ZrO2. Этот же результат был достигнут в условиях, когда дезактивируемый материал находился под слоем воды толщиной 2 см.

Для удаления покрытия с плотной объемной структурой толщиной порядка 10 мкм используются СО2-лазер, неодимовый и медный лазеры, работающие в импульсно-периодическом режиме. При использовании импульсно-периодического СО2-лазера с длиной волны излучения 10.6 мкм длительность импульса может меняться в диапазоне 20-200 мкс при энергии излучения одного импульса 200 Дж. Использование неодимового и медного лазеров с параметрами излучения, описанными выше, и в этом случае энергетически выгоднее, даже несмотря на то, что полное удаление оксидного слоя происходит при воздействии нескольких импульсов. Преимуществом СО2-лазеров в этом случае является их значительно большая средняя мощность излучения и, как следствие, более высокая производительность.

Для удаления поверхностных слоев с рыхлой объемной структурой и толщиной поверхностного слоя до 100 мкм используются приблизительно с одинаковой эффективностью импульсно-периодические и непрерывные СО2-лазеры, работающих в режиме быстрого сканирования излучения по поверхности металла. Время воздействия излучения на мишень при быстром сканировании луча сравнимо с длительностью импульса импульсно-периодического СО2-лазера.

Для покрытий толщиной, не превышающей 10 мкм, длина волны лазерного излучения слабо влияет на эффективность удаления поверхностного слоя.

Для оксидных слоев толщиной порядка 1 мкм наиболее эффективными являются короткие импульсы длительностью порядка десяти наносекунд с характерной мощностью 108 Вт/см2.

Для удаления покрытий толщиной до 100 мкм необходимо либо увеличение числа импульсов, либо рост длительности импульса, что энергетически невыгодно. Вследствие этого наряду с импульсно-периодическим может быть использован непрерывный режим работы лазера со сканированием луча.

Лазерные методы могут использоваться и для очистки от радиоактивных загрязнений бетонных покрытий АЭС до глубин 5-10 мм. При использовании импульсно-периодического СО2-лазера с плотностью мощности в диапазоне 105-106 Вт/см2 при длительности импульса 40 нс и частоте повторения импульсов 100 Гц происходит эффективное удаление загрязнений с поверхности бетона. Глубина очистки поверхности пропорциональна числу лазерных импульсов и может достигать 8 мм при облучении 200 импульсами. Данный процесс может быть, в частности, эффективно использован для дезактивации помещений в ходе демонтажных и аварийных работ на атомных электростанциях.

Созданные в последние годы в ТРИНИТИ мобильные технологические комплексы МЛТК-5 и МЛТК-50 на базе СО2-лазеров с мощностью излучения до 50 кВт способны в реальных условиях атомных производств проводить дезактивацию бетонных поверхностей на дистанции до 100 м.

В заключение перечислим основные преимущества методов лазерной очистки поверхностей:

1. Образование ничтожно малых количеств вторичных химически-опасных и радиоактивных продуктов (от долей до единиц грамма с квадратного метра поверхности), находящихся в твердом состоянии, что в значительной степени упрощает процесс компактирования отходов и подготовку к их захоронению. Для сравнения, при использовании традиционных химических методов очистки объемы жидких химически-опасных и радиоактивных отходов, получаемых в итоге очистки, измеряются кубическими метрами и в свою очередь требуют сложной комплексной переработки.

2. Использование лазерных методов дает возможность автоматизации процесса очистки, обеспечивающей снижение уровня вредного воздействия на обслуживающий персонал и уменьшение стоимости работ.

3. Использование лазерных методов на основе световолоконной оптики обеспечивает возможность дезактивации труднодоступных объемов и полостей без их разрушения.

Молекулярные газовые лазеры: СО-лазер