Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Газы и смеси газов

В газах также возникают метастабильные состояния атомов и молекул, которые могут разряжаться путём спонтанного и вынужденного испускания, приводя при достаточной инверсной населённости к лазерному эффекту. Эти состояния возбуждаются прямым или косвенным путём в результате столкновений свободных частиц, возникающих при разряде в газе. В свою очередь электрический разряд возбуждается высокочастотным полем или полем постоянного напряжения.

Особенность активной среды – её высокая оптическая однородность, что даёт возможность применять большие оптические резонаторы и получать высокую направленность и монохроматичность излучения. Другая особенность газовой среды – её малая плотность, вследствие чего энергетический спектр активных частиц (атомов, ионов, молекул) не искажается из-за взаимодействия с соседними активными частицами. Энергетические уровни излучения – узкие. Большое достоинство газовых лазеров – способность работать и в непрерывном и в импульсном режимах. Как активные частицы используют нейтральные атомы, молекулы, ионы. Механизмы возбуждения этих частиц различны.

В лазерах на нейтральных атомах основной механизм возбуждения – неупругое столкновение электрона с атомом (столкновение первого рода). Этот механизм используется для возбуждения атомов Ne, Ar, Kr и Хе. Для смеси газов используется столкновение второго рода - неупругое столкновение возбуждённых атомов одного газа с атомами другого. Этот механизм используется, когда энергия метастабильного уровня первого газа близка к энергии возбуждённого состояния атомов второго газа. Столкновение второго рода происходит, например, в смеси Не с Ne. Газовая смесь гелия и неона помещается в специальную трубку с электродами внутри, при подаче напряжения ок. 1000 В зажигается тлеющий разряд. Образующиеся в разряде быстрые электроны при столкновениях с атомами газов отдают им часть своей энергии. Затем происходит столкновение возбужденных атомов гелия с равновесными атомами неона (гелий тут служит буферным гзом). Этот процесс приводит к заселению верхних рабочих уровней неона- инверсии населенностей. Гелий-неоновый лазер имеет три основных рабочих уровня 3,39; 1,15 и 0,63 мкм. На практике обычно все линии генерации, кроме 0,63 мкм подавляют.

Высокая населённость верхнего лазерного уровня в ионных лазерах обеспечивается за счёт спонтанного излучения (соударения ионов с быстрыми электронами в газовом разряде). Активное вещество ионных лазеров – инертный газ (Ar, He, Kr, Ne), ионы P, S, Cl, Br. Например, в аргоновом лазере генерация происходит на переходах между уровнями однократного иона аргона Ar+, основные переходы на длине волн 0,488 мкм. Для возбуждения используется стационарный дуговой разряд постоянного тока, применяется система водного охлаждения. Заселение верхних и нижних уровней ионов аргона происходит за счет электронного возбуждения в результате столкновения с быстрыми електронами. При этом верхние рабочие урони заселяются быстрее, чем нижние, однако нижние быстрее освобождаются - это приводит к возникновению инверсии населенности.

Инверсия населённости в молекулярных лазерах происходит под влиянием соударений с быстрыми электронами, неупругих столкновений молекул различных газов и других. Наиболее распространенные вещества в молекулярных газах – углекислый газ СО2 в смеси с азотом или гелием.

Например, генерация в СО2-лазере происходит на переходах между колебательными уровнями молекулы СО2, основные переходы на длине волны 9,6 и 10,4 мкм. Для накачки используется тлеющий разряд, азот играет роль буферного газа. Газоразрядные СО2 лазеры позволяют получать в непрерывном режиме интенсивное излучение выходной мощностью до 10 кВт, при этом их КПД достигает 40 %.

Эксимерные лазеры генерируют на переходах между электронными состояниями «разлетных» молекул инертных газов (KrF, XeBr, ArCl). Известно, что инертные газы в расновесном состоянии не образуют химических соединений. В возбужденном состоянии, которое формируется с помощью мощных импульсных разрядов, они образуют соединения друг с другом или с галогенами (фтор, хлор). Таким образом, верхнее рабочее состояние - это возбужденное состояние эксимерных молекул. Нижнее рабочее состояние - это основное состояние, которое сопровождается быстрым распадом эксимерной молекулы на составляющие атомы. Для таких лазеров получены саме низкие на сегодня длины волн излучения 157-351 нм.

Газодинамические лазеры - газовые лазеры, инверсия населенностей в которых создается путем быстрого расширения предварительно нагретой газовой смеси. Рабочий газ, нагретый до температуры, достаточной для возбуждения колебательных уровней его молекул, получает возможность расширяться так быстро, чтобы населенность верхнего уровня не успевала значительно снизиться - «замораживалась» на величине, соответствующей температуре горячего газа. Населенность же более низких уровней успевает следить за температурой расширяющегося и охлаждающегося газа. За счет этого создается инверсия населенностей.

Используется, например, способ пропускания смеси СО2 и азота через сверхзвуковое сопло. В камеру сгорания подают горючее (СО) и окислитель (воздух). Образуется горячая газовая смесь СО2 и Н2О, её и пропускают через сверхзвуковое сопло в рабочую камеру-резонатор. Параметры установки выбирают так, чтобы в резонаторе населенность верхнего уровня в молекуле СО2 соответствовала температуре в камере сгорания, а населенность нижнего уровня - температуре газового потока за соплом. Вследствие высокой плотности потока и его высокой скорости истечения достигается инверсия, обеспечивающая работу лазера. Газодинамические лазеры обеспечивают мощность излучения до 100 кВт в непрерывном режиме, возможно увеличение выходной можности до 106 кВт, но при этом КПД газодинамических лазеров соствляет от 1 до 5 %.

Химические лазеры - газовые лазеры, в которых инверсия населенностей возникает непосредственно в процессе элементарной химической реакции.

В существующих химических лазерах широко используются реакции замещения. В результате таких реакций образуются двухатомные молекулы в возбужденных колебательных состояних.

Например, F + H2 = > HF* + H

F + D2=>DF* + D

Cама по себе экзоэнергетическая реакция не требует затрат энергии извне. Однако, для инициирования таких реакций необходимо затратить определенную энергию и чаще всего реагенты в атомарном состоянии получают при диссоциации молекул - этого достигают фотодиссоциацией, облучением электронным пучком, импульсно-разрядной диссоциацией. Реакции, используемые в лазерах, имеют цепной характер: активный реагент воспроизводится в ходе реакции. Однако, химически активный реагент воспроизводится не полностью и не обходимо прикладывать усилия для постоянного поддержания химической реакции.

В качестве примера рассмотрим химический лазер на фтор-водородной смеси с генерацией на переходах в молекулах СО2. Лазер имеет две камеры: в одной происходят химические реакции, в другой (рабочей) камере происходит взаимодействие молекул углекислого газа СО2 с возбужденными молекулами начальной смеси. Возбужденные молекулы, образующиеся при протекании химических реакций, удобно использовать для передачи энергии молекулам СО2, у которых легче всего создается инверсия населенностей. Был реализован химический лазер без внешнего поддерживающего источника энергии. Энергия молекулам СО2 передается от возбужденных молекул DF. Генерация осуществлялась в ходе следующих реакций: F2 + NO = NOF + F, F + D2 = DF* + D, F2 + D = DF* + F, DF* + CO2 = DF* + CO2*.

В первую камеру поступает: 1) смесь молекулярного фтора и гелия - для предотвращения перегрева и самовоспламенения смеси фтора с водородом, 2) окись азота с углекислым газом: NO + F2 ® NOF + F (атомарный фтор), 3) дейтерий D2+F ® DF*+D. Молекулы DF* передают энергию молекулам СО2 (активным центрам), на энергетических уровнях которых вознивает инверсия населенностей, что приводит к вынужденному излучению.

Все метастабильные состояния инициируются электрическим разрядом, который возникает при действии высокочастотного поля постоянного напряжения. Отсутствие мощных внешних источников энергии сулит химическим лазерам большое будущее.

Кроме того существует классификация возбуждения газообразных веществ по типу возбуждения. Рассматривают два типа возбуждения: прямое возбуждение, котороепроисходит при неупругих столкновениях со свободными электронами. При этом эффективное сечение возбуждения определённого состояния пропорционально дипольному моменту перехода из основного в рассматриваемое состояние, вычисленному по волновым функциям для обоих состояний с использованием формулы

, где q - заряд, r - расстояние между частицами, y - вероятность пребывания частицы на энергетическом уровне.

В зависимости от величины этого момента возможность возбуждения для разных состояний оказываются разными, вследствие чего достаточно селективно можно возбуждать определённые состояния.

Лазерный эффект, обусловленный указанным механизмом прямого возбуждения, наблюдался при электрическом разряде в чистых газах, таких, как He, Ne, Ar, Kr, Xe. Все линии излучения лежат в инфракрасной области спектра.

Колебания с самой большой длиной волны были обнаружены в чистом ксеноне при давлении 0,01 мм рт.ст. При этом излучение с длиной волны l = 12,92 мкм, так же как и все другие линии излучения для ксенона, соответствует переходу 5 6 p. Лазерный эффект на основе механизма прямого возбуждения наблюдался также в смеси Xe¾He. Наиболее сильно он был выражен на переходе 5 6 p для атомов ксенона в смеси ксенона и гелия, парциальные давлеия которых составляли 0,02 и 5 мм рт.ст. соответственно.

Непрямое возбуждение вызывает лазерный эффект в смеси двух газовых компонент. При столкновении со свободными электронами, возникающими при разряде, сначала возбуждаются атомы одного газа, которые переходят на ряд вышележащих уровней. Некоторые из этих уровней метастабильны, вследствие чего они заселяются сильнее. Существенно, что атомы первого газа имеют уровни, близкие по энергии к метастабильным уровням атомов другого газа, и поэтому при соударении с последними возбуждают эти состояния, а сами переходят в основное состояние. Вследствие того, что уровни для обоих газов находятся на примерно одинаковой высоте, такой обмен энргией происходит с большой вероятностью. Типичный пример непрямого возбуждения является возбуждение в гелий-неоновом лазере. Диаграмма энергетических уровней смеси He¾Ne показана на рис. 11.

Свободные электроны, обладающие высокой энергией, возбуждают атомы гелия на ряд высоколежащих уровней, с которых атомы постепенно переходят на более низкие уровни. Многие атомы достаточно длительное время пребывают в метастабильных состояниях 21 S и 23S и могут в результате столкновений с атомами неона перевести последние в состояния 3s- и 2s-, имеющие приблизительно ту же энергию, что и у возбуждённых атомов гелия. Эти состояния также метастабильны, что является предпосылкой для возникновения вынужденного испускания. Нижние лазерные состояния в обоих случаях лежат в 2 р -мультиплете. В свою очередь 2 р -состояния спонтанно разряжаются на 1 s -мультиплет и далее, путём теплообмена со стенками разрядника, - в основное состояние.

Время жизни 3s- и 2s-состояний составляет 0,1 мкс, а для 2 р -мультиплета – лишь 0,01 мкс. Следовательно, в результате непрямого возбуждения населённость уровней может оказаться инверсной. В смеси только из гелия и неона 1s-состояния разряжаются лишь путём теплообмена со стенками. Поэтому поперечное сечение разрядной трубки должно быть небольшим, чтобы атомы неона достаточно быстро диффундировали к стенке.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Направлении | Реферат
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2015-06-27; Просмотров: 594; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.019 сек.