Потужні молекулярні лазери і їх застосування

       Молекули  окислу вуглецю задовольняють цим  умовам як в чистому газі, так  і в сумішах з азотом і гелієм. Азот грає роль накопичувача енергії  коливань, так само як в СО₂-лазерах. Кванти коливань азоту і окислу вуглецю близькі по величині, ці молекули можуть швидко обмінюватися енергією при зіткненнях. Атоми гелію дозволяють значно прискорити відведення невикористаної енергії з активної зони. СО-лазери краще всього працюють при низькій температурі 100— 150°К, але зберігають працездатність аж до 300— 400ºК.

       Механізм  утворення інверсної населеності, розглянутий нами, може бути використаний завжди, коли енергія коливань молекули значно вище термодинамічно рівноважною. Для цієї мети придатний будь-який спосіб збудження коливань. Вже існують газорозрядні, газодинамічні і хімічні СО-лазери.

       Коливання молекул окислу вуглецю збуджуються  електронним ударом тим же шляхом, що і молекули азоту. З основного  стану збуджується від одного до восьми квантів. Релаксація коливань відбувається вельми поволі, в основному при зіткненнях з атомами гелію і спонтанному випромінюванні. Значна частина енергії коливань мігрує на верхні рівні. В умовах газового розряду низького тиску при температурі рідкого азоту генерація спостерігається на ряду коливальних переходів, з п'ятого до тринадцятого рівнів. Експериментально досягнута величина ККД перевищує 50%. СО-лазери є найбільш ефективними з тих, що існують в даний час. Їх енергетичні характеристики з розрахунку на одиницю об'єму кращі, ніж у лазерів на вуглекислому газі. Найбільш значним недоліком є трудність використання їх випромінювання, оскільки багато коливально-обертальних ліній сильно поглинаються такими, що входять до складу атмосфери повітря водяною парою і вуглекислим газом.

       У несамостійному газовому розряді, що охолоджується рідким азотом, при атмосферному або вищому тиску газу вже зараз отримані імпульси генерації з енергією, що перевищує 1000 Дж. ККД таких лазерів поки не перевищує 15%, але, мабуть, його величина може бути значно збільшена.

       Особливий інтерес представляє поєднання газорозрядного і газодинамічного способів збудження СО-лазерів. В цьому випадку накачування здійснюється в електричному розряді в швидкоплинному газі, а подальше розширення через надзвукове сопло дозволяє знизити температуру робочої суміші до 90—100°К рівномірно у всьому об'ємі. Охолоджування рідким азотом стає непотрібним.

       В цілому роботи по могутніх лазерах  на окислі вуглецю вже показали їх високі потенційні можливості, але  знаходяться ще в початковій стадії. В найближчому майбутньому, мабуть, будуть досягнуті результати, вищі, ніж на вуглекислому газі.

       Застосування   молекулярних лазерів

       Ми  бачили, що молекулярні лазери працюють в широких інтервалах довжин хвиль  в інфрачервоному діапазоні при  найрізноманітніших методах їх накачування  і способах реалізації. Вони вже знайшли широке застосування в різних областях науки і техніки. У міру їх вдосконалення можливості застосування цих лазерів будуть все більш різносторонніми. Природно, що вибір того або іншого типу лазера повинен визначатися його призначенням і умовами використання. Подивимося, де вже застосовуються лазери, про які йшла мова в попередніх розділах, і постараємося уявити собі, як вони можуть працювати в майбутньому дли задоволення практичних потреб людства.

       Лазери  на вуглекислому газі  застосовуються найширше. Одним з перших їх застосувань стала обробка матеріалів. Досвід показав, що не дивлячись на великий коефіцієнт віддзеркалення металів, при великій щільності потужності випромінювання можна дуже швидко проплавлять їх на значну глибину, а отже, різати і зварювати. Це пов'язано із зміною механізму відведення тепла із зони нагріву із зростанням щільності потужності. При рисій інтенсивності випромінювання поглинання його енергії невелике, а відведення енергії із зони дії визначається повільним механізмом теплопередачі. В результаті зона нагріву велика, а ефективність риса. Проте із зростанням температури коефіцієнт віддзеркалення зменшується, і при потоках потужності понад 20—30 кВт/см2 виникає поверхневе плавлення металу. Відведення тепла як і раніше визначається теплопровідністю, швидкість плавлення низка. Подальше збільшення інтенсивності випромінювання веде до виникнення областей перегрітої рідини, об'ємного випаровування і викиду рідкої фази. Відведення тепла з цієї миті визначається теплотою плавлення і випаровування і швидкістю викиду рідкого металу. Швидкість процесу різко зростає, а зона нагріву зменшується. Подібний механізм дії дозволив здійснити різання лазерами потужністю 10—20 кВт таких тугоплавких металів, як неіржавіюча сталь, із швидкістю 2 см/с при товщині листів до 25мм.

       Використання  лазерів дозволяє отримати програмоване фігурне різання матеріалів. При  невеликих рівнях потужності можливе  програмне управління за допомогою  ЕОМ різанням таких матеріалів, як тканини, папір, фанера, пластики. У всіх процесах досягається великий економічний ефект при відмінній якості обробки.

       Висока потужність і економічність СО₂-лазерів робить можливим їх застосування для руйнування надміцних гірських порід при проходці шахт і тунелів.

       Лазерне випромінювання абсолютне стерильно. Воно вже знайшло успішне використання в медицині. СО₂-лазер може знайти в цій області абсолютно особливе застосування. Проникаюча здатність його випромінювання в живі тканини значно менша, ніж у видимого світла. Тому його можна використовувати для операцій на шкірі, для зупинки кровотеч, для операцій на поверхні ока з мінірисьними пошкодженнями навколишніх тканин.

       Довжини хвиль випромінювання СО₂-лазера, лазера на молекулах фтористого дейтерію, а також ряд ліній СО-лазера потрапляють у вікна прозорості атмосфери. Причому поглинання в цих спектральних інтервалах менше, ніж у видимому діапазоні. Одночасно із збільшенням довжини хвилі зменшується фон розсіяного сонячного випромінювання, розсіяння на аерозолях і вплив атмосферного серпанку. Все це робить дуже перспективним застосування молекулярних лазерів для зв'язку, для забезпечення безпеки при сліпій посадці літаків, коли лазерне освітлення місцевості на багатьох довжинах хвиль одночасно дозволить ослабити вплив метеорологічних умов.

       Із  застосуванням лазерів зв'язаний абсолютно новий напрям на шляху  отримання керованої термоядерної реакції. Дуже велика потужність у вузькому спектральному інтервалі і просторова когерентність лазерного випромінювання дозволяють створити плазму і нагрівати її до термоядерних температур. Зараз у ряді лабораторій миру зареєстровано нейтронне випромінювання реакції термоядерного синтезу. Розвиток імпульсних СО- і СО₂-лазеров високого тиску веде до того, що скоро вони конкуруватимуть з лазерами на неодимовом склі в ініціації термоядерної реакції. З їх використанням пов'язані цікаві проекти по надсильному стисненню гарячої плазми для отримання умов, в яких вихід енергії перевищує енергію лазерної ініціації. Успішне рішення цієї задачі дозволить перейти до практичної реалізації процесу з сумарним позитивним енерговиходом, з урахуванням ККД лазера і всіх допоміжних пристроїв.

       Існує ще одна дуже цікава область взаємодії  лазерного інфрачервоного випромінювання з речовиною. Це резонансна дія на коливання молекул, що дозволяє здійснити селективний розрив хімічних зв'язків, каталіз, управляти напрямом протікання хімічних реакцій.

       Найважливіші  властивості лазерного випромінювання — висока монохроматичність, просторова когерентність і дуже велика спектральна інтенсивність — повною мірою можуть бути використані в хімії. Застосування лазерів в хімії є одним з найбільш корисних і плідних. І тут особлива роль належить могутнім молекулярним лазерам інфрачервоного діапазону. Перш за все можна використовувати теплову дію їх випромінювання. Багато хімічних реакцій, важливих в різних областях технології, відбуваються при підвищеній температурі. Якість технологічних процесів в таких випадках визначається ретельним контролем температури і її розподілу в просторі в певні проміжки часу. За допомогою випромінювання лазерів можна направляти строго дозовану кількість енергії в точно встановлене місце, де знаходяться речовини, вступаючі в реакцію при нагріві. Лазер в цьому випадку є зручним і гнучким інструментом хімічної технології. Таким шляхом вже зараз здійснюються багато хімічних процесів в області микроминиатюризации радіоапаратури, створенні інтегральних схем, в напівпровідниковій техніці.

       Проте використання теплової дії випромінювання лазерів в хімії є найбільш простим з можливих. Набагато цікавіше і важливе їх застосування для розробки принципово нових хімічних процесів. Поява лазерів корінним чином змінила практичне значення хімічних реакцій за участю світла. Дуже велика спектральна інтенсивність лазерного світла дозволяє селективно порушувати певні, заздалегідь вибрані електронні або коливальні стани, селективно ионизовать атоми, селективно розривати потрібні хімічні зв'язки молекул.

       Частота випромінювання молекулярних лазерів  інфрачервоного діапазону співпадає  з частотами коливань багатьох молекул. Хімічна дія їх випромінювання виявилася дуже сильною. Воно пов'язане з резонансним поглинанням фотонів молекулами. При великій інтенсивності випромінювання молекули сильно розгойдуються, причому збуджується певний тип їх коливань, що знаходиться в резонансі з частотою світла. В результаті молекули або розпадаються на хімічно активні осколки або збуджуються настільки, що можуть вступати в реакцію з іншими молекулами без надходження додаткової енергії з боку теплового руху. Підвищення температури навколишнього середовища, необхідне, для початку багатьох реакцій виявляється непотрібним. Реакції протікають в термодинамічно нерівноважних умовах.

        Відомо, що для  вступу до реакції молекули початкових речовин повинні придбати більше енергії, чим характерна для кожної реакції енергія активації. Ця енергія повинна бути зосереджена на певному зв'язку молекули. У термодинамічно рівноважних умовах необхідна енергія концентрується на певному зв'язку в результаті випадкового перерозподілу по різних мірах свободи молекул. Перерозподіл енергії відбувається при взаємодії молекул з навколишнім середовищем унаслідок теплового руху, тобто населективно. Швидкість протікання реакції визначається в цьому випадку відомим законом Ареніуса        де Е_а —енергія активації, k — постійна Больцмана.

       Резонансний характер поглинання світла дозволяє впливати не на всю молекулу, а порушувати лише певний зв'язок, управляти концентрацією  енергії на ній. При такому селективному збудженні порушується термодинамічна рівновага. Середня енергія Екол того типу коливань молекули, який знаходиться в резонансі з частотою випромінювання, стає більше енергії теплового руху. Можна чекати по аналогії із законом Ареніуса, що швидкість реакції в цьому випадку буде . При достатньо великій інтенсивності випромінювання може бути виконане умова Е_кол >> kT,т. е. тобто відбуватиметься різке збільшення швидкості реакції. Зазвичай в хімії для управління реакціями використовують каталізатори. Випромінювання могутнього лазера виступає в ролі світлового «каталізатора». У класичній фотохімії давно використовувалося селективне збудження невеликого числа молекул. Лазери ж дозволяють порушувати значну частину всіх молекул. Нелазерним, традиційним джерелам інфрачервоного світла бракує багато порядків до величини спектральної інтенсивності, необхідної для прискорення реакцій.

       Реакційна здатність селективно збуджених  молекул інша, чим у рівноважних  молекул. Молекули могуть, що стикаються, вступати в різні реакції, що відрізняються величиной Еа, В рівноважних умовах відбуваються одна плі декілька з них з найменшою енергією активації. Селективне збудження дозволяє, здійснити і реакції з вищою енергією активації, які в рівноважних умовах практично не йдуть. Це окрывает можливості отримання нових речовин або прискорення виробництва вже відомих речовин, які інакше доводиться отримувати багатоступінчатим шляхом.

       Використання  на практиці можливостей селективного збудження — складне научнотехническая завдання, що ще чекає свого рішення. Отриманню бажаних результатів перешкоджають різноманітні процеси усередині і міжмолекулярної передачі енергії, які досить добре вивчені лише для невеликого числа молекул. Ці процеси, за рідкісним виключенням, ведуть до втрати селективності. Кожен конкретний випадок використання лазера для управління хімічними реакціями вимагає особливого і складного дослідження. Робота в цьому напрямі зараз тільки починається.

       Лазерний  квант при резонансному поглинанні в межах ширини лінії поглинання співпадає з одним або декількома майже еквідистантними розташованими  рівнями певного типу коливань. При  достатньо великій інтенсивності випромінювання лазера молекули швидко набувають енергії, відповідної найбільш високим з цих рівнів. Якщо ця енергія виявляється не менше енергії активації, то молекули можуть вступати в реакцію швидше, ніж встигнуть відбутися процеси, що ведуть до втрати селективності збудження. Дані умови виявилися виконаними у разі реакції метанолу СН₃ОН з Вг₂. Це дозволило експериментально продемонструвати можливість і перспективність використання селективного лазерного збудження для розділення ізотопів, опромінюючи світлом HF-лазера суміш пари метанолу і його дейтерозамещенных молекул CD₃OD, узятих в рівній концентрації. Випромінювання поглинали тільки молекули метанолу. Коливає-збуджені молекули взаємодіяли з бромом. Продукти реакції випадали з газової фази в осад, і газ збагачувався дейтерометанолом. Після опромінювання протягом 60с зміст дейтерометанола досягав 95%. При опромінюванні, широкосмуговим нелазерним джерелом фотобромування такої ж суміші абсолютно не було селективним.

       Частіше зустрічаються умови, коли унаслідок ангармонізму молекулярних коливань енергія, що отримується молекулами безпосередньо при поглинанні світла лазера, менше енергії активації. В цьому випадку селективність збудження зберегти важко, оскільки молекули можуть набувати потрібну для вступу до реакції енергію лише при обміні квантами коливань в моменти зіткнень.