Дата создания сайта: 20/12/2012 Дата обновления главной страницы:
14.04.2019 09:12
e-mail:
icq:
613603564
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
код нашей кнопки:
История квантовой электроники насчитывает немногим
менее 30 лет. Как хорошо известно, начало этой науке было положено
радиоспектроскопическими исследованиями молекул. И именно
радиоспектроскопические исследования привели к созданию первого прибора
квантовой электроники - молекулярного генератора, или мазера на пучке
молекул аммиака. Логическим результатом дальнейшего развития квантовой
электроники стало появление лазеров - неизвестных до того в оптике
генераторов и усилителей монохроматического излучения. Лазеры возникли
тогда, когда идеи и методы квантовой электроники радиодиапазона были
перенесены в оптику*.
Позволяя предельно концентрировать оптическое излучение в пространстве,
во времени и в спектральном интервале, лазеры открыли принципиально
новые возможности для изучения и использования взаимодействия света с
веществом в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Эти
работы охватывают чрезвычайно широкий круг научных и технических проблем
исключительной важности**.
Полезный эффект многих из лазерных применений определяется прежде всего
концентрацией энергии в месте взаимодействия в заданный, как правило,
очень короткий отрезок времени. Число возможных применений такого
силового воздействия очень велико. Главное непосредственно используемое
при этом свойство лазерного излучения - его высокая пространственная
когерентность и, следовательно, высокая направленность.
Кроме того, лазерное излучение обладает монохроматичностью, вследствие
чего оно оказывает сильное резонансное воздействие на вещество, и
высокой спектральной яркостью, в силу которой процессы его
взаимодействия с веществом могут протекать избирательно. Это, в свою
очередь, обеспечивает возможность лазерного разделения изотопов,
лазерной очистки веществ, лазерной фотохимии, лазерной фотобиологии.
Отметим, что наиболее убедительные результаты в этом направлении
получены при лазерном разделении изотопов*.
Эффекты резонансного взаимодействия интенсивного лазерного излучения с
веществом перспективны для практического применения и интересны для
фундаментального исследования. По существу, при этом полностью и
непосредственно используется вся совокупность свойств лазерного
излучения. Именно резонансные взаимодействия связывают между собой
лазеры и молекулы. Эта связь носит двусторонний характер. С одной
стороны, молекулы важны для квантовой электроники как средство получения
лазерного излучения. С другой - квантовая электроника важна для
молекулярной физики как метод мощного воздействия на молекулы и
молекулярные системы.
В этой статье мы не можем достаточно полно охватить обе эти области,
поэтому ограничимся рассказом о некоторых результатах и перспективах
применения лазеров в молекулярных исследованиях.
Со времен Фраунгофера и Бунзена наиболее надежный способ идентификации и
обнаружения даже малых, как говорят, следовых количеств какого-то
вещества - спектроскопическое исследование. Спектры атомов и молекул
несут информацию о составе, структуре и состоянии исследуемого вещества.
Положение, ширина спектральных линий определяются массами и зарядами
элементарных частиц, входящих в состав атомов или молекул, взаимным
расположением элементарных частиц, силами электрического и магнитного
взаимодействий между ними, а также взаимодействием с окружающими
частицами. Поэтому исследование спектров испускания и поглощения дает
однозначную информацию о веществе.
В прошлом основное внимание уделялось спектрам испускания, причем
главным образом спектрам испускания атомов. Эти спектры легко
наблюдаются в излучении достаточно разогретых атомных паров, получаемых,
например, в пламени горелки, и относительно легко расшифровываются.
Для исследования спектров поглощения необходимы источники излучения,
желательно, с хорошо известным собственным спектром. До появления
лазеров использовалось излучение источников со сплошным спектром, таких,
как солнечный свет, свечение сильно нагретых тел, дуговых разрядов и т.
п. В видимой области спектральная интенсивность этих источников
достаточно велика. Именно в эту область попадают линии резонансного
поглощения многих атомов. Но свободные атомы существуют при высоких
температурах. При обычной температуре атомарны только благородные газы
гелий, неон, аргон и т. д. В основном же газы состоят из молекул. Тем не
менее газовая фаза привлекательна тем, что взаимодействия входящих в нее
частиц малы. Следовательно, спектральные линии практически не осложнены
внешними воздействиями, относительно узки и сравнительно легко
интерпретируются.
Спектральные линии атомов и молекул соответствуют переходам между теми
или иными их собственными энергетическими состояниями. Этим состоянием
отвечают какие-то вполне определенные внутренние движения атома или
молекулы. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра проявляются
электронные движения. Так как в атоме возможны только движения
электронов, атомы дают только электронные спектры. По сравнению с
атомами в молекулах появляются дополнительные внутренние движения
(дополнительные степени свободы), связанные с колебаниями атомов по
отношению друг к другу и с вращением молекулы как целого. Атомные ядра
много тяжелее электронов, поэтому колебательные движения в молекуле
много медленнее электронных движений в атоме. В результате колебательные
спектры молекул попадают в инфракрасный диапазон, им соответствуют длины
волн от одного до 100 мкм. Вращательные движения еще медленнее,
соответствующие спектры попадают, как правило, в субмиллиметровый или
СВЧ радио диапазоны.
При прочих равных условиях интенсивность спектральных линий в
инфракрасном диапазоне сильно ослаблена. Поэтому колебательные спектры
испускания молекул, находящихся в термодинамическом равновесии, в земных
условиях практически не наблюдаемы. Остается наблюдать спектры
поглощения, но для этого нужны внешние источники излучения. Лучшими
среди них были опять-таки сильно нагретые тела, дающие, как уже
говорилось, сплошной спектр. Их основной недостаток - малая
интенсивность излучения, резко падающая по мере увеличения длины волны.
Конечно, технический прогресс привел к тому, что традиционная
инфракрасная спектроскопия достигла высокого уровня развития, но
чувствительность и быстродействие соответствующих методов анализа
оставались все же далекими от желаемых.
Так было до тех пор, пока не возникла радиоспектроскопия, изучающая
спектры молекул, главным образом вращательные, принадлежащие к
СВЧ-диапазону. Бурное ее развитие, обусловленное достижениями техники
сантиметровых волн, началось около сорока лет назад. Принципиальное
отличие радиоспеткроскопии состоит в том, что в ней применяются
монохроматические перестраиваемые источники излучения. Это приводит к
существенно иной постановке эксперимента и обеспечивает гораздо более
высокую чувствительность, разрешающую способность, точность, позволяет
осуществлять дистанционныи, бесконтактный анализ газовых масс. В
качестве примера укажем, что сочетание радиоспектроскопических и
радиоастрономических методов позволило обнаружить в межзвездном
пространстве газовые облака, состоящие из таких молекул, как
формальдегид, синильная и муравьиная кислоты и т. п. В последние годы
активно работает в этом направлении один из основоположников квантовой
электроники Ч. Таунс (Беркли, США).
Новые возможности оптической и инфракрасной спектроскопии дали
перестраиваемые лазеры.
Не будем говорить о видимой области спектра; там широко используются
перестраиваемые лазеры на растворах органических красителей, обратимся к
инфракрасному диапазону, где наиболее отчетливо проявляются молекулярные
колебания. Здесь могут применяться лазеры на центрах окраски (F-центрах)
в диэлектрических кристаллах и полупроводниковые диодные лазеры.
В лазерах на центрах окраски активная среда - это комплексы точечных
дефектов типа анионной вакансии в диэлектрических ионных кристаллах,
таких, как щелочно-галлоидные кристаллы фторида лития, хлорида натрия
(поваренная соль), хлорида калия и т. п. Такие дефекты (отсутствие
отрицательного иона галогена в соответствующем узле кристаллической
решетки) окрашивают кристаллы. Сильное взаимодействие дефектов (или их
агрегаций, охватывающих несколько соседних узлов кристаллической
решетки) с внутрикристаллическим полем ближайшего окружения вызывает
заметное уширение линий их люминесценции. Это, в свою очередь, позволяет
осуществлять перестраиваемую по частоте излучения лазерную генерацию.
Однако лазеры на центрах окраски к настоящему времени уверенно работают
лишь в области ближнего ИК-излучения. Разработка лазеров этого типа
началась сравнительно недавно в отличие от полупроводниковых лазеров,
которые уже нашли применение в лазерной спектроскопии ИК-диапазона.
В полупроводниковых лазерах длина волны генерации определяется
свойствами непосредственно полупроводникового кристалла. При пропускании
тока через полупроводниковый диод происходит рекомбинация носителей тока
противоположного знака, она сопровождается излучением, которое при
определенных условиях в полном соответствии с общими положениями
квантовой электроники переходит в лазерную генерацию. Энергия кванта
излучения равна ширине запрещенной зоны полупроводника. При ее изменении
меняется и длина волны генерируемого излучения. Это дает возможность
выбором типа кристалла определить диапазон работы лазера и
плавно перестраивать длину волны его излучения, воздействуя на кристалл.
Всестороннее сжатие полупроводника сильно меняет ширину его запрещенной
зоны. Давление, достигающее 10 тыс. атм, перестраивает длину волны
излучения почти вдвое. Более тонкая перестройка достигается изменением
температуры полупроводникового кристалла, причем желаемые изменения
температуры осуществляет электрический ток, пропускаемый через
полупроводниковый диод для возбуждения генерации. Так, изменение тока
накачки втрое, например от 0,6 А до 1,8 А, вызывает в ИК-области
перестройку на 3%.
В среднем и дальнем ИК-диапазоне могут работать только достаточно
узкозонные полупроводники. Этому требованию отвечают сплавы свинец -
селен - теллур, свинец - сера - селен, кадмий -ртуть -теллур и им
подобные, причем соотношение между компонентами сплава определяет
исходную рабочую точку в интересующем нас спектральном диапазоне.
Полупроводниковые диодные лазеры ИК-диа-пазона оказались мощным
средством спектроскопического исследования. Они позволили реализовать в
ИК-диапазоне все принципиальные преимущества монохроматической
спектроскопии, разработанные в СВЧ-диапазоне методами
радиоспектроскопии.
Остановимся на одном примере, имеющем в настоящее время исключительно
важное значение. Речь идет о лазерных методах контроля загрязнения
атмосферы. Для обнаружения, идентификации и измерения малых концентраций
газовых загрязнений атмосферы особенно перспективными оказались
разработанные в нашем Институте лазерные дистанционные спектрометры на
основе полупроводниковых диодных лазеров упомянутого выше типа, и прежде
всего потому, что они работают в диапазоне длин волн 3 -=- 30 мкм, в
котором расположены характерные колебательно-вращательные спектры
поглощения большинства известных молекул. Сочетание высокой
монохроматичности излучения таких лазеров с плавной перестройкой длины
волны излучения в широких пределах позволяет легко различать газовые
примеси и уверенно их идентифицировать. Используя дифракционную
расходимость излучения, можно формировать из него почти параллельные
пучки и проводить дистанционные измерения на весьма протяженных трассах
длиной до нескольких километров. Высокая по сравнению с тепловыми
источниками спектральная яркость лазерного излучателя обеспечивает
исключительную чувствительность метода. Так, при измерении концентрации
примеси угарного газа СО в атмосферном воздухе по линии поглощения в
окрестности длины волны 4,7 мкм на трассах протяженностью в несколько
сотен метров легко достигается такая чувствительность, которая позволяет
обнаружить одну молекулу примеси, приходящуюся
Рис. 1. Блок-схема лазерного трассового
измерителя концентрации. Излучение полупроводникового лазера 1
коллимируется линзой 2 в луч 3, распространяющийся по протяженной трассе
4 (дистанция 5-10 км) до уголкового отражателя 5, возвращающего лазерный
луч точно назад по пройденной перед этим трассе. Полупрозрачное зеркало
6 и фокусирующая линза 7 направляют прошедшее исследуемую трассу
излучение на фотоприемник 8. Периодическое изменение длины волны
излучения лазера 1 в окрестности линии поглощения искомой примеси
приводит к появлению электрического сигнала на выходе фотоприемника 8.
Величина сигнала пропорциональна числу молекул примеси на трассе.
Разработка кандидатов физико-математических наук Ю. В. Косичкина и А. И.
Надеж-динского с сотрудниками (ИОФАН) на базе лазерных диодов, созданных
доктором физико-математических наук А. П. Шотовым с сотрудниками (ФИАН)
Рис. 2. Фрагменты изменения концентрации окиси
углерода СО (угарный газ) во времени в центре Софии (1), на окраине
города (2) и на горе Витоша около Софии (3). Видны как стабильный и
низкий уровень загрязненности атмосферы угарным газом в зеленой зоне
национального парка, так ч существенно, практически в 100 раз, более
высокий и резко меняющийся во времени (движение автотранспорта) уровень
загазованности центра города. Результаты ИОФАН и Института электроники
Болгарской Академии наук
на 108 молекул воздуха. На рис. 1 показана
блок-схема трассового измерителя концентрации. С его помощью можно
проводить измерения не только в лабораторных, но и в заводских,
городских и полевых условиях.
На рис. 2 представлены результаты, полученные нашей экспедицией в
Народной Республике Болгарии совместно с болгарскими коллегами при
измерении концентрации угарного газа в центре Софии, на ее окраине и на
горе Витоша. Этот пример, как нам кажется, наглядно демонстрирует
возможности лазерной спектроскопии ИК-диапазона.
Итак, перестраиваемые лазеры ИК-диапазона оказались исключительно ценным
инструментом. Но колебания молекул проявляются не только в спектрах
поглощения.
В 1928 г. при исследовании рассеяния света в кристаллах (Г. С. Ландсберг
и Л. И. Мандельштам) и в жидкостях (Ч. В. Раман) было открыто явление
комбинационного рассеяния света. Суть его состоит в том, что внутренние
движения частиц рассеивающейся среды сказываются на спектральном составе
рассеянного света. Колебательные движения молекул, всегда существующие
при температурах, отличных от абсолютного нуля, периодически меняют
условия распространения света через среду и тем самым модулируют его.
Модуляция происходит на частоте колебаний молекул. Как хорошо известно
из теории колебаний, наличие периодической модуляции какого-то процесса
эквивалентно присутствию в спектре этого процесса составляющих,
сдвинутых от центральной частоты на частоту модуляции. Колебания молекул
накладывают свой отпечаток на проходящий свет. Исследования спектров
комбинационного рассеяния света проводились в видимой области, где
существуют относительно интенсивные источники света и спектральные
приборы высокого разрешения. Но интенсивность эффекта комбинационного
рассеяния мала, и для снятия спектров во многих случаях приходилось
прибегать к многочасовым
экспозициям, а в случае исследования газов - даже к недельным
экспозициям. Ситуация существенно изменилась с появлением лазеров.
В течение всей своей многовековой истории оптика оставалась линейной.
Это означает, что распространяющийся в материальном среде свет не менял
ее свойства. Вещество, через которое проходил свет, воздействовало на
свет. Но не было необходимости принимать во внимание возможность
обратного воздействия. Уравнения, описывающие распространение света в
веществе, были линейными, и этого было достаточно для описания
наблюдавшихся явлений.
Высокая монохроматичность и направленность лазерного излучения приводят
к столь высокой концентрации световой энергии, что электрическое поле
световой волны приближается к собственным внутренним электрическим полям
вещества. Оптические константы среды начинают зависеть от интенсивности
распространяющейся в ней световой волны. Заметно изменяется объект
воздействия. Соответствующие уравнения становятся нелинейными, и мы
приходим к нелинейной оптике.
С. И. Вавилов задолго до появления лазеров высказал и обосновал мысль о
возможном уменьшении поглощения при увеличении интенсивности облучения и
ввел термин "нелинейная оптика". Этот термин получил широкое
распространение после возникновения лазеров, обусловивших бурное
развитие этой новой области физики.
Вернемся к комбинационному рассеянию света. Обычно наблюдается рассеяние
на колебаниях молекул.
Рнс. 3. Схема КАРС-спектрометра Института общей
физики АН СССР. Излучения лазеров с фиксированной (1) и перестраиваемой
(2) длинами волн складываются в один луч с помощью зеркал (3) и
совместно фокусируются линзой (4) в кювету (5) с исследуемым газом.
Линза (6) восстанавливает первоначальную геометрию светового луча,
содержащего теперь антистоксову спектральную компоненту. Сигнал КАРС
выделяется призмой (7) и регистрируется фотоприемником (8). Прошедшие
через кювету (5) излучения лазеров (1) и (2) с помощью зеркал (9) и
линзы (10) фокусируются вобьем нелинейного оптического кристалла LiI03
(11), на выходе из которого германиевой пластинкой (12) выделяется
инфракрасное излучение разностной частоты, дополнительно используемое
далее для инфракрасной адсорбционной спектроскопии. Схема позволяет
проводить одновременное измерение спектров комбинационного рассеяния и
инфракрасного поглощения при одной и той же шкале длин волн. Разработка
кандидатов физико-математических наук Д. Н. Козлова и В. В. Смирнова (ИОФАН)
Рис. 4. (с. 194-195) Общий вид
КАРС-спектрометра, схема которого представлена на рис. 3: а) лучи
лазерного света разного цвета - основа КАРС-спектроскопии, 6)
перестраиваемый лазер- сердце спектрометра - в работе, в) зеленый свет
рождает красный свет в лазере на красителе, г) интенсивный зеленый луч
взаимодействует с веществом
Пусть через исследуемую среду пропускается лазерное
излучение на двух длинах волн одновременно (пучки лазерного света
разного цвета). Пусть также разность частот этих двух монохроматических
пучков точно равна частоте собственных колебаний молекул среды. Тогда
при достаточной интенсивности излучений происходит эффективная
резонансная раскачка молекулярных колебаний. В этой области
пространства, где два пучка когерентного излучения одновременно
взаимодействуют с материальной средой, устанавливается когерентное
возбуждение молекул. Во всем этом объеме (объеме взаимодействия)
происходят синхронные колебания, охватывающие одновременно многие
молекулы. Следовательно, интенсивность рассеяния света резко возрастает.
Иными словами, в этих условиях эффект модуляции света накапливается по
мере его распространения в среде.
При модуляции монохроматического колебания появляются компоненты на
частотах меньшей (стоксова компонента) и большей (антистоксова
компонента) частоты модулируемого колебания. Сдвиг частоты колебаний,
как уже было сказано, равен частоте модуляции. Следовательно, та часть
объема материальной среды, в которой устанавливаются синхронные
периодические изменения ее оптических свойств, эффективно преобразует
исходное лазерное излучение в излучение, сдвинутое по частоте в стоксову
и антистоксову сторону. Наибольший интерес представляет антистоксово
(более коротковолновое) излучение, позволяющее изучать возбужденные
состояния молекул, процессы, идущие при высоких температурах,
исследовать светящиеся среды, плазму и т. д. Эффект излучения света с
длиной волны, сдвинутой в более коротковолновую сторону, при рассеянии
двух лазерных пучков на когерентно возбуждаемых в некотором объеме
колебаниях молекул получил наименование когерентного антистоксового
рассеяния света (КАРС).
Сохраняя фиксированной частоту одного из излучений и перестраивая
частоту другого так, чтобы разность частот плавно и контролируемо
изменялась в окрестности интересующей нас спектральной линии, мы
получаем возможность изучать ее по спектральной зависимости величины
эффекта КАРС.
Остается добавить, что КАРС - эффект нелинейный. Поэтому в
КАРС-спектрометрах должны использоваться лазеры, излучение которых
весьма монохроматично, пространственно когерентно, интенсивно и
характеризуется высокой спектральной яркостью. Для КАРС-спектро-скопии
высокого разрешения наилучшим образом подходят узкополосные лазеры
непрерывного действия. На рис. 3 приведена схема разработанного в нашем
Институте КАРС-спектроме-тра на основе неодимого лазера с удвоением
частоты и лазера на красителе. На рис. 4 приведен общий вид
спектрометра.
Остановимся на применении КАРС для исследования неравновесных состояний
газа, характерных для сверхзвуковых потоков, ударных волн в газах,
газовых разрядов, для газовых химических реакторов и т. д. Как правило,
изучение таких состояний затруднено фоновым свечением всего исследуемого
объема, но наблюдения на более короткой волне (антистоксова компонента
рассеяния) и в малом телесном угле (направленность когерентного
излучения) позволяют обойти эти трудности. Только метод КАРС выясняет
распределение молекул азота по колебательным и вращательным уровням
энергии в плазме тлеющего разряда. От этого распределения существенно
зависит эффективность работы С02-лазеров. Аналогично для лазерного
разделения изотопов важна информация о характере перераспределения
энергии колебательного возбуждения по степеням свободы молекул
гекса-фторида серы или урана при резонансном лазерном возбуждении этих
молекул.
Привлекательно применение КАРС для локального исследования газа.
Нелинейная зависимость величины сигнала КАРС от интенсивности накачки
приводит к тому, что при сильной фокусировке накачки большая часть
рассеянного излучения генерируется фокальной областью малых размеров.
Это позволяет проводить диагностику, например, газовых потоков с высоким
пространственным разрешением. На рис. 5 приведена схема и результаты
проведенных у нас измерений локальных значений температуры и плотности в
сверхзвуковом потоке азота.
До сих пор мы обсуждали спектроскопические применения лазеров, целью
которых было получение информации о свойствах молекул или характере
протекания процессов с их участием. При этом предполагалось, что
лазерный луч - тонкий и чувствительный зонд, не разрушающий и не слишком
сильно возмущающий исследуемую среду. По существу, выше были
представлены примеры пассивной лазерной спектроскопии. Однако в силу
высокой концентрации энергии излучения лазеры дают возможность активного
воздействия на вещество, приводящего к перестройке объекта, разрыву
внутренних и созданию новых связей на молекулярном уровне, синтезу новых
соединений, выделению избранных компонентов и т. п. Изучение и
использование спектральных особенностей этих процессов составляют
предмет активной лазерной спектроскопии, конечно, далеко выходящей за
рамки классически понимаемой спектроскопии.
Эти исследования охватывают чрезвычайно широкий круг научных и
технических проблем. Среди них особое место занимают резонансные
взаимодействия, в которых непосредственно используется монохроматичность
интенсивных потоков лазерного света. Дело в том, что уникальные свойства
лазерной энергии в полной мере проявляются только при резонансных
взаимодействиях, причем не сводящихся к равновесному нагреву вещества
излучением. Именно в этих
Рис. 5. Схема и результаты измерений локальных
значений температуры и плотности газа в сверхзвуковом потоке азота.
Сопло 1 формирует поток 2. Лазерные лучи двух длин волн, отличающихся
друг от друга на величину, соответствующую частоте колебаний молекулы
азота, сфокусированы в малую область 3. В этой области наблюдается
эффект когерентного антистоксова рассеяния света, позволяющий по форме и
интенсивности спектральных линий колебаний молекул локально измерять
температуру и плотность газа. Фокусируя лазерные лучи в различные
области, можно провести бесконтактное измерение пространственного
распределения плотности и температуры молекулярного газа в сверхзвуковом
потоке. Традиционные контактные методы измерения температуры и давления
газов в силу заметного возмущения газовой среды неприменимы для
исследования сверхзвуковых потоков. Вместе с тем знание распределения
температуры и плотности очень важно при конструировании тепловых машин,
рабочим телом которых являются сверхзвуковые потоки газа. В нижней части
рисунка приведен пример распределения температуры 4 и давления 5 азота
вдоль оси потока при сверхзвуковом истечении газа из сопла 1. Результаты
доктора физико-математических наук П. П. На-шинина и кандидата
физико-математических наук В. В. Смирнова с сотрудниками (ИОФАН)
условиях можно осуществлять селективные фотопроцессы.
Конечные продукты селективного процесса, в отличие от неселективного
процесса той же физической природы и при тех же исходных веществах,
должны быть обогащены желаемыми, заранее намеченными составляющими.
Очевидно, что резонансное воздействие лазерного излучения на вещество,
т. е. воздействие, при котором возбуждаются только определенные частицы
вещества при поглощении энергии излучения только в области узкой
спектральной линии этих частиц (желательно возможно более узкой), дает
возможность проводить селективные фотопроцессы.
Надо отметить, что резонансное возбуждение заметной доли частиц
облучаемого вещества выводит всю систему из равновесия. Однако всегда
существуют процессы, возвращающие систему частиц в равновесное
состояние. Это так называемые релаксационные процессы и процессы
миграции энергии возбуждения, приводящие в конечном счете к нагреву
вещества. Очевидно, что все они препятствуют селективному действию
излучения. Поэтому определить условия, при которых сохраняется
селективность резонансного воздействия лазерного излучения, и найти
методы их выполнения - главные задачи этих исследований.
Селективные фотопроцессы осуществляются в два этапа. Первый - это
резонансное возбуждение определенных частиц. Очевидно, что этот этап
должен быть всегда радиационным. Второй этап - силовое воздействие, в
результате которого происходят необратимые изменения физических свойств
возбужденных частиц. Второй этап может быть нерезонансным и даже
нерадиационным. Возможный пример нерадиационного процесса - химические
реакции селективно возбужденных атомов или молекул, т. е. химическая
фиксация селективного возбуждения.
Напомним, что результаты резонансного взаимодействия лазерного излучения
с веществом существенно зависят от степени сохранения селективности
собственно лазерного воздействия вплоть до конечного продукта. В случае
многоатомных молекул возможно проведение селективных химических реакций.
Если энергия лазерного излучения преимущественно сконцентрирована в
колебаниях вдоль направления заранее выбранной внутримолекулярной связи,
то можно ожидать, что эта связь будет разрушена или перестроена. Такая
концентрация колебательной энергии должна увеличить химическую
активность молекулы по этой связи.
Однако, как правило, энергия активации химических реакций намного
превышает энергию одного кванта колебательного возбуждения. Поэтому для
эффективного вступления в реакцию молекула должна поглотить энергию
многих квантов. Но пока это происходит, энергия возбуждения стремится
распределиться между всеми или почти всеми связями, существующими в
молекуле. Хотя в принципе возможна колебательная лазерная фотохимия, но
надежных экспериментальных доказательств столь высокой селективности в
подобных процессах пока нет.
Несколько меньшей селективности требуют процессы, избирательные по
веществу, т. е. процессы, при которых в тех или иных смесях один из
компонентов преобразуется в выделяемый продукт, а остальные не
затрагиваются. Это процессы лазерного разделения изотопов, лазерной
очистки вещества, лазерного выделения биологически активных соединений,
лазерного обнаружения одного атома или молекулы искомого вещества в
смеси многих веществ и т. п. В настоящее время процессы этого уровня
селективности надежно реализуются*.
Селективность по веществу теряется, когда релаксационные процессы того
или иного вида распределяют энергию лазерного возбуждения среди всех
компонентов облучаемой смеси. В такой ситуации реализуется лазерный
резонансный нагрев, приводящий к пиролизу (разложению вещества под
действием высокой температуры) или к инициированию (стимулированию)
реакций, не являющихся лазерными фотохимически-
Рис. 6. Кристалл закиси меди, выращенный при
лазерном нагреве медной пластинки на воздухе. Скорость роста кристаллов
достигает 0,3 мм/с. Кристаллы растут по направлению лазерного луча
навстречу излучению, т. е. в сторону источника тепла. Быстрый перенос
жидкой меди к фронту роста кристалла осуществляется по капиллярам в
объеме кристалла. Результаты члена-корреспондента АН СССР Ф. В. Бункина
(ИОФАН) и члена-корреспондента АН УзССР П. К. Хабибулаева (Институт
ядерной физики АН УзССР) с сотрудниками
Рис. 7. Лазерное управление пропусканием
пористой перегородки для молекул, резонансных излучению. По вертикальной
оси отложена величина потока проходящих через перегородку молекул, по
горизонтальной - время. Резонансное лазерное излучение уменьшает
проницаемость преграды, резко ослабляя поток молекул через нее.
Результаты доктора физико-математических наук Н. В. Карлова и кандидата
физико-математических наук Ю. П. Петрова (ИОФАН)
ми. Такие процессы тоже очень интересны, так как для
лазерного ввода энергии, кроме резонансности воздействия, характерны
точная локализация, дозированность, абсолютная стерильность,
гомогенность, возможность быстрого и сильного нагрева и т. п. Поэтому
молекулярно-кинетические процессы под действием лазерного разогрева
системы протекают не так, как при использовании традиционных
нагревателей. Лазер, даже когда его излучение используется как источник
тепла, не эквивалентен обычной горелке. Особенно хорошо это видно в
резонансном случае, когда путем перестройки частоты лазерного излучения
можно вводить энергию в систему по выбору либо через химически
нейтральный, но резонансный излучению компонент исходной смеси (термосенсибилизатор),
либо через вступающий в реакцию компонент (исходный реагент), либо через
желаемый продукт реакции, возникающий в ее ходе (резонансный продукт).
Каждому из этих случаев соответствует своя кинетика, что позволяет
динамически управлять ходом реакций*.
В лазерной термохимии обнаруживаются новые, нетривиальные возможности
управления химическими реакциями, связанные главным образом с
установлением обратной связи между химическими и оптическими свойствами
системы. Поглощается излучение - изменяется температура, а
следовательно, и скорость реакции, т. е. скорость наработки ее продуктов
и соответственно поглощательная способность по отношению системы к
монохроматическому лазерному излучению. Глубина и знак возникающей таким
образом обратной связи задаются длиной волны и интенсивностью лазерного
излучения, возможность управления которыми представляет собой мощный
фактор эффективного воздействия на термохимические процессы. На рис. 6
приведена фотография кристаллов закиси меди, выращенных в процессе
окисления металла при лазерном нагреве в воздухе. Видно, как растут
"гигантские" кристаллы в направлении лазерного луча.
Этот эксперимент выполнен в строго гетеро-фазных условиях, т. е. на
границе раздела двух различных веществ, находящихся в различных фазовых
состояниях. Лазерное управление окислением металлической поверхности -
частный пример широкого класса лазерных гетерогенных процессов, т. е.
процессов, идущих на границе раздела двух сред при освещении области
раздела лазерным лучом. У гетерогенных молекулярно-кинетических
процессов типа адсорбции, хемо-сорбции и т. п. энергия активации мала по
сравнению с гомогенными процессами типа ионизации, диссоциации,
химических реакций присоединения и замещения в газовой фазе, в
жидкостях. Следовательно, гетерогенные процессы более чувствительны к
малым изменениям энергии молекул. Значит, в результате поглощения
молекулой одного колебательного кванта может существенно измениться ее
поведение на границе раздела двух фаз. А это, в свою очередь, открывает
возможность селективного лазерного управления гетерогенными процессами.
Гетерогенные молекулярно-кинетические процессы многообразны. Кроме
названных, это катализ, ионный обмен, сорбционная экстракция, испарение
и конденсация, диффузия в перегородках и т. п.; все они представляют
большой интерес как возможные селективные процессы на границе раздела
двух сред, инициируемые резонансным лазерным излучением.
К настоящему времени в нашем Институте наибольший прогресс достигнут в
разработке методов лазерного управления потоком резонансных молекул
через пористую перегородку и через капилляры. Как правило, поток молекул
через тонкие капилляры или узкие поры в губко-образных структурах
определяется диффузионными законами. Чем больше коэффициент диффузии,
тем интенсивнее поток молекул через преграду. Прилипание молекул к
стенкам капилляра или пор уменьшает коэффициент диффузии. Этим
прилипанием можно управлять с помощью резонансного лазерного излучения:
под его действием у молекул появляется дипольный момент, их
адсорбчруемость стенками усиливается и скорость диффузии снижается. В
результате резонансное лазерное излучение управляет потоком молекул,
диффундирующих через узкие каналы или поры (см. рис. 7). Очевидно, что
это эффективный метод селекции веществ. ?
Мы рассказали о некоторых сторонах взаимодействия лазерного излучения с
молекулами, уделив основное внимание резонансным взаимодействиям.
Исследования в этой области ведутся в лабораториях всего мира. Многие из
результатов достигли стадии реального практического использования.
Немало сделано, но еще больше нерешенных проблем, главная из которых -
сохранение селективности интенсивного резонансного лазерного воздействия
на вещество вплоть до необратимого выделения желаемого продукта.
Дальнейшее развитие квантовой электроники, создание новых лазеров,
расширение диапазонов длин волн лазерной генерации и областей плавной
перестройки частоты лазерного излучения в инфракрасной, видимой и
ультрафиолетовой частях спектра существенно расширят возможности
применения резонансных взаимодействий.
Английский электротехник С. де-Ферранти создал кабель
концентрической конструкции: из двух друг от друга изолированных
трубчатых проводников. Такой кабель был применен для линии
электропередачи напряжением 10 тыс. вольт.
Английский физик Дж. Гопкинсон ставит классические опыты, позволившие
установить условия, которые обеспечивают синхронную работу двух
генераторов переменного тока.
Немецкий физик А. Кундт предложил удобный способ, позволяющий наблюдать
распределение электрических зарядов одновременно на всей поверхности
кристалла.
Немецкий физик, математик, физиолог и психолог Г. Гельмгольц впервые
доказал применимость принципа наименьшего действия к тепловым,
электромагнитным и on тическим явлениям, вскрыл связь этого принципа со
вторым началом термодинамики.
Английский инженер и предприниматель Ч. Парсонс изобрел многоступенчатую
реактивную паровую турбину, кото рая сыграла огромную роль в развитии
энергетики. Он впервые использовал паровую турбину для непосредственного
вращения электрогенератора с целью производства электрической энергии.
Немецкий математик и инженер И. Баушингер предложил ввести единые
международные способы испытания важнейших материалов, применяемых в
строительстве и машиностроении. По его инициативе в Мюнхене собирается
первая конференция по установлению таких единых методов испытания.
БЕЛЬГИЯ. Общие провода для телефонов и телеграфа.
Известный электротехник Рюсселъберг получил патент на устройство, при
котором возможно одним проводом пользоваться как для телеграфного, так и
для телефонного сообщения. При этом телефонная и телеграфная станции
остаются друг от друга независимыми.
"Инженер"
БРАЗИЛИЯ. В одной из местных газет пишут, что телефонные проволоки
встретили в последнее время весьма опасного и почти непобедимого врага,
о котором-едва ли кто и подумал при установлении проволок. Этот враг -
коршуны-стервятники, которые обыкновенно летают весьма низко над крышами
домов и вследствие этого наталкиваются на телефонные проволоки,
запутываются в них, приводят различные проволоки в соприкосновение между
собою, последствием которого бывает невообразимая путаница в сношениях
между абонентами телефона. Дирекция должна постоянно содержать массу
рабочих для распутывания проволок. Закон запрещает убивать
коршунов-стервятников, и потому они постоянно размножаются. Что же
остается делать? Газета не видит другого средства избежать зла, как
приучить коршунов летать выше.
"Техник"
Николай Васильевич КАРЛОВ (р.
1929) - физик, доктор физико-математических наук, профессор,
заведующий сектором Института общей физики АН СССР.
В 1952 окончил физический факультет Московского государственного
университета и поступил в аспирантуру Физического института им.
П. Н. Лебедева АН СССР. В 1956 защитил кандидатскую диссертацию
и остался работать в лаборатории колебаний ФИАН сначала в
должности младшего, а с 1961 - старшего научного сотрудника. В
1966 защитил докторскую диссертацию, с 1970 - заведующий
сектором. Выполнил работы по чувствительности радиоастроно
мических приемников, квантовым усилителям СВЧ, инфракрасным
лазерам, резонансным взаимодействиям лазерного излучения с
веществом. Соавтор монографий "Квантовые усилители" (совместно с
А. А. Ма-ненковым) и "Лазерное разделение изотопов"
(совместно с С. С. Алим-пиевым, Б. Б. Крынецким и Ю. Н.
Петровым). В 1976 за участие в разработке высокочувствительных
квантовых усилителей Н. В. Карлов был удостоен Государственной
премии СССР.
Александр Михайлович ПРОХОРОВ
(р. 1916) - физик, академик, академик-секретарь Отделения общей
физики и астрономии АН СССР, директор Института общей физики АН
СССР, главный редактор Большой Советской Энциклопедии, Герой
Социалистического Труда, лауреат Ленинской, Государственной и
Нобелевской премий.
В 1939 окончил физический факультет Ленинградского
государственного университета и поступил в аспирантуру
Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР. С 1941 по 1944
находился в рядах действующей армии. В 1944 продолжил занятия в
аспирантуре ФИАН, в 1946 защитил кандидатскую диссертацию и был
оставлен в Физическом институте в должности старшего научного
сотрудника. В 1951 защитил докторскую диссертацию, звание
профессора получил в 1959. С 1954 - заведующий лабораторией
колебаний ФИАН, с 1970 по 1982 - заместитель директора,
руководитель Отделения ФИАН. А. М. Прохоров - один из
основоположников квантовой электроники. В 1959 ему (совместно с
Н. Г. Басовым) присуждена Ленинская премия за разработку нового
принципа усиления и генерации электромагнитных колебаний, в 1964
(совместно с Н.Г.Басовым и Ч. Таунсом) - Нобелевская премия по
физике за основополагающие работы по квантовой электронике,
которые привели к созданию мазеров и лазеров.
Научные интересы А. М. Прохорова лежат в настоящее время в
областях квантовой электроники, исследований физики твердого
тела, взаимодействия излучения с веществом, спектроскопии. В
1980 совместно с группой сотрудников А. М. Прохоров удостоен
Государственной премии СССР за цикл исследований по
спектроскопии субмиллиметрового диапазона длин волн. А. М.
Прохоров награжден многими орденами СССР и других
социалистических стран. Он почетный доктор и профессор
университетов многих стран, иностранный член Американской
академии искусств и наук в Бостоне, академий наук ВНР, ГДР, НРБ.
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.