Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное изучение колебательно неравновесных молекулярных газов в значительной мере связано с получением в 60-е года лазерной генерации на колебательных перекодах большого числа молекул и появлением химических лазеров. ;in«Jv.~c --~~«траиттом акктаулятором энергии, выделяющейся в
СВОбОДЫ М0ЛЄКУЛ. ПОЭТОМУ ИМеННО ПереХОДК КОЖДУ XOAfiCilbiiLiZES
уровнями используются в подавляющем большинстве химических лазеров. Инверсная населенность между колебательными уровнями возникает в стационарном режиме вследствие многообразия релаксационных процессов и различия их скоростей. Опираясь на достижения кинетики существенно неравновесных систем, развитие .лазерной физики значительно стимулировало изучение процессов релаксации в неравновесных молекулярных газах.
Результати таких исследований кроме квантовой электроники
широко используются в лазерной химии и плазмохимии, фязккв
атмосферы, газодинамике. Следует отметить, что в этих областях
науки наибольший интерес. представляют существенно
неравновесные молекулярные системы, когда значительная неравновесность возникает не только мекту колебательными и поступательными, но и в самих колебательных степенях свобода. В таких условиях появляются принципиально новые интересные эффекты. Примерами таких эффектов является эффект Трянора, связанный с сильным перозаселэнием вноокояоабувЕенных колебательных состоянии молекул, и эффекты, лвазиие в основе работы газодинамических лазеров с большой степэнъв расширения газа, когда может быть применима только уровневая кинетика.
Теоретическое изучение колебательной релаксации в сильно
неравновесных условиях делится на два различных аспекта -
динамический, основанный на моделировании элементарных актов
столкновения, и, имеющий целью нахождение сечоний или
констант скоростей колебательно-колебательных (V-V) или
колебательно- поступательных (7-ї) переходов в молекулах, и статистический, в котором вычисляются неравновесные распределения по колебательным уровням и их влияние на
различные физико-химические свойства среды. Результаты
статистической теории колеательной релаксации позволяют
описать большинство из, представляющих практический интерес,
явлений. Расчет сечений или вероятностей колебательно -
поступательного (V-T) и колебательно-колебательного (V-V)
обмена энергии при неупругих взаимодействиях молекул
традиционно относится к одному из самых сложных разделов
теории столкновений. К настоящему времени наибольшее развитие
получили полуклассические варианты теории, базирующиеся на
различных модельных представлениях о протекании элементарного
акта столкновения и содержащие несколько свободных
параметров, точные значения которых, как правило, неизвестны. В итоге большинство ' экспериментально полученных результатов можно теоретически объяснить, исходя из нескольких взаимоисключающих друг друга предположений о протекании элементарных процессов, и невозможно достаточно точно предсказать те величины вероятностей, которые пока не получены в эксперименте.
Большинство экспериментальных иследований было вызвано задачами развивающейся техники и поэтому носят Фрагментарный характер. Каждый из методов измерений применим, как правило, к определенному классу молекул и в сравнительно узком интервале температур и давлений. Кроме того, существуют различия в виде релаксационных уравнений, применяемых в каждом конкретном случае. Все это вызывает значительные трудности в сопоставлении результатов измерений и построении общей теоретической картины изучаемых явлений.
Д. і правильного понимания и разработки однозначной теории релаксационных процессов в газах, в первую очередь, необходимо проведение систематических экспериментальных исследований, базирующихся на единой методике измерений. Наиболее информатирным и удовлетворяющим изложенным выше требованиям является метод, основанный на импульсном лазерном возбуждении отдельных колебательных уровней с последующим изучением кинетики ИК флуоресценции. Однако проведение таких исследований сопряжено со значительными метрологическими трудностями, связанными, в основном, с чрезвычайно низкой интенсивностью сигнала люминесценции. Малая мощность
лнлігич'ПгНцїш дйже при значительной энергии накачки
обусловлена^ небольшой величиной вероятности спонтанных
и.чнучїіТічіїїмх переходов в НК о~лі'/"ілГй сіШкс-Я"" конкуренцией
р ,і л.гль . і' рола оезнял/чтчль.щх rnxueccoB. it'енно сечызлучнтелнше стслквовителыше переходы являются а газах, ч;ііЦо всего, основным каналом релаксации колебательной энергии. Кроме того возникают оцредедешше сложности з интерпретации >рормн сигнала Ш\. лк.минесценпин, обусловленные необходимостью применения многоуровневых моделей для опис&чня процессов миграции колебательной энергии.
"гапппиоиин п-гАл. и«>и«.і ,ІС,П ШСЛ""""* '""а« игатОЛЬЗОВаШІЯ
СПвЦИйЛЬІиІХ ЦИ'УроеЫл jb'i^,"..-.Z. :: ?"" ,а "тмп-шапши
эксперимента. Применение автоматизированных кемшіексоп
позволяет на первом этапе осуществлять синхронное накопление
сигналов для улучшения отношения оигнал/йум, а далее проводить
математическую обработку с целью решения задачи
восстановления формы сигнала люминесценции.
В настоящей работе главное внимание уделяется
исследованию Y-T й Ч-Ч процессов в углекислом газе и его смесях. Молекула СОя сравнительно проста и слуккт удобным модельним объектом изучения. В то же врсмі .углекислый газ слуагит активной средой мсечих молекулярнії." лазеров, являє і он продуктом сгорания ракетных 'топлиз, играит ввкну» роль в процесс?.?, знергзсбмеїш в атмосфере Земли к других планет.
В теоретические .модели сильно неравновесных молекуллрнь* газовых сред, из-за многообразия происходящих в них процессов, кроме уравнений молекулярной кинетики дополните л ыю вводятся уравнения теплопроводности, уравнения, описцв:,юкне электронное гди оптической возбуждение, химическую кинетику и газодинамику, что сильно усложняет задачу и уменьшает достоверность полученных результатов. В связи с этим крайне актуальной становится задача диагностики неравновесных молекулярных сред. В частности, в активных средах молекулярных газовых лазеров важное практическое значение имеют определение коэффициента усиления, населенностей верхнего и нижнего генерационных уровней и температуры среды в зависимости от условий возбуждения. Из множества всевозможных методов диагностики колебательно неравновесных газовых сред несомненны
приоритет отдается оптическим методам, главным образом, в силу их бесконтактности, локальности и быстродействия. Следует отметить, что большинство методов диагностики базируется на температурной модели неравновесной среда, которая оказалась плодотворной для расчета запаса энергии в отдельных колебательных модах. Однако, возникающие вследствие многообразия процессов возбувдения и релаксации нарушения равновесия между уровнями внутри мод и в смешанных состояниях вызывают сильные сомнения в корректности решения задач диагностики на основе температурных моделей.
Среда оптических методов значительное внимание привлекает' метод многочастотного лазерного зондирования с измерением усиления или поглощения в центре контуров колебательно-вращательных линий. Этот метод свободен от таких серьезных недостатков, как необходимость измерения абсолютных значений интенсивностей излучения и априорное привлечение приближенных спектроскопических моделей среда. Успешное применение данной методики для диагностики СОг содержащих сред стало возможным после разработки стабилизированных по частоте перестриаваемых СОг лазеров, что позволило проводить прецизионные измерения коэффициентов усиления или поглощения на различннх колебательно-вращательных линиях.
В настоящее время можно констатировать, что к началу семидесятых годов исследования неравновесных молекулярных газовых сред достигли довольно высокого уровня, а возможности применения лазерной техники к изучению колебательно неравновесных молекулярных сред представлялись весьма перспективными.
Изучение скоростей колебательной релаксации и разработка методов диагностики колебательно неравновесных молекулярных газовых сред определились как основное направление наших исследований и цель работы.
Для достижения данной цели были проведены физические исследования и решен ряд задач прикладного характера, направленных на разработку необходимой лазерной и измерительной аппаратуры.
_Актальность работы_определяется принципиальным значением в молекулярной физике констант скоростей колебательной
релаксации и их температурных зависимостей для выяснения ~~ механизмов неупругогоi_ взаимод'гйстгия молекул при столкновениях и иеосходдаостыо знать іфироду~и~количествеяні«» -характеристики ачлі. процессов гтэи исследовании и использовании колеоательно неравновесных молекулярних газовых срьд.
Ц9Ї2559 новизна работы заключается в еле думцем: '
Г. Мдтолом лазерно индуцироьашюй ИК люминесц-мщш в широком интервале температур (ЯОО-ТОПО К) с высокой точностью измерены константы скоростей релаксации энергии уровня 001 молекулы СОг в чистом углекислом газе и в смесях СОа с Ни, Аг, Us, Ог,
сс. ::z, "г. ""' *-\>.
-
Надежно устапсн.'мп* ^иьл;;г.~~"- "т вілііин-'-ТТр^ ~"wwivi релаксации энергии уровня 001 молокул СОг при столкновении о молекулами HzO.
-
Выполнен расчет интенсивности ИК люминесценции СОг при импульсном лазерном возбуждении в зависимости от параметров газа и излучения.
-
Выполнен расчет формы сигналов ИК люминесценции с учетом переходных характеристик лшинесцируицеи среда и формы импульсов возбуждения.
-
Экспериментально иссследовано рьспределненш коэффициента усиления в активной среде Сыстропроточнсг'о технологического СОг лааера и проведена оптимизация характеристик активной среды и параметров резонатора по выходной мощности.
6. Выполнен анализ точностных характеристик диагностики
активных сред СОг лазеров при многочастотном резонансном
зондировании. Разработан алгоритм обработки результатов
измерений.
-
Теоретически изучены режимы одно- и двухмодовой генерации в Не-Не лазере с фазово-анизотропным резонатором.
-
Разработан метод расчета вынужденной анизотропии в ллней;гых электро-оптических кристаллах при наложении на них поперечного изменяющегося электрического поля.
э. Разработана оригинальная схема получения квадратурных сигналов в лазерном интерферометре, на основании которой разработан одночастотный лазерный интерферометр. 10. Предложен лазерно-интерферометрический метод измерения скоростей релаксации внутренней энергии молекул, с помощью
которого измерена скорость V-T релаксации .молекул Ог.
11. Разработаны мэтодака и оригинальна» аппаратура для
измерения скоростей релаксации колебательной энергии в широком
интервале температур методом лазерно индуцированной Ш
люминесценции.
12. Разработан анализатор формы сигналов для исследования
кинетики ИК люминесценции путем статистической обработки
результатов измерений, и восстановления формы сигналов.
,13. Впервые експериментально исследованы спектральные и временные характеристики СОг лазера в режиме модуляции добротности в зависимости''от условий возбувдения и параметров, резонатора. .
14. Впервые предлокен и экспериментально реализован СОг лазер
с криталлическкми отражателями из SiCte и S1C в качестье
селективных зеркал резонатора.
15. Экспериментально исследованы поляризационные свойства_
отражательных дифракционных решеток, используемых в
перестраиваемых СОг лазерах.
16. Впервые разработан стабилизированный по частоте,
перестраиваемый СОг лазер с резонатором, оптимальным во всем
диапазоне перестройки.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут широко использоваться в таких разделах науки и техники, как лазерная физика . при моделировании, расчете и диагностике активных сред молекулярных газовых лазеров, в физике и химии горения, при изучении переноса энергии в молекулярных газах, в физике атмосферы Земли и других планет, многие вывода ' в широком смысле могут быть применены в спектроскопии и люминесценции.
Основные положения диссертации^ выносимые на защиту.
1. Создаю» необходимой лазерной и измерительной техники
и разработка экспериментальной методики определения скоростей
колебательной релаксации молекул методом лазерно
индуцированной ИК люминесценции. ..
2. Определение температурных' зависимостей констант
скоростей релаксации энергии ассиметричной мода молекулы С0г. в
чистом углекислом газе и в смесях С0г с Не, Ar, Н2, 02, Ng,
CO, NO, sKgO, H20. В чистом'СОз И в смесях СОг~ Ог> С<Х,- Н.,0
при низкю: температурах обнзруус-нк отклонения от Лэядау-Теллеровсксй зависимости, что огкдетвльствует > о суцастаонааЗ — тюли-----сил-- - "?жол?т;7Л.тркогс гтрятягокия я механизма і.толкіпвительно.'І релаксація!.
2. Установление механизма зависимости амплитуды сигналов Ш лкминесценцки при лазерно'', возбуждении от давления и температуру газа, который определяется характером уширэния даний: при дспл?рс-вском контур» линия и постоянной енергія .закачки с росточ давления температури лм<иг:ееіряу«іЛ>)Л люди остаьісл постоянной, а амплитуда сигнала' растет -в связи с ростом числа шнтппп етвтеооти- т.гч.» «~~:";::;:; ^,..,,,, «ш»
связано с понижением температури лшстесцирущей мода и пленением излучения.
4. Разработка лазерно-ннтерфаромвтрической измерительной
системы для определения скоростей релаксации внутренней
внертии молекул; в оптической схеме интерферометра впэрвыэ использовано смешение линейно поляризованного излучения одного из каналов с циркулярно поляризоввнным излучением другого такала, что позволяет повысить точность измерений.
5. Метод диагностики активных сред и оптимизации услоькй
возбуждения в бистропроточных молекулярных лазерах, основ ешай
на измерении расярэдэлекия ко&ффицкента усиления и поаБоля.»?диЛ
спродають запас колебательной энергии в молекулах я условия
его реализации в виде лазерного излучения.
в. Результаты анализа точностных характеристик диагностики колебательно кирзвнонссішх сред методом кногочастотного резонансного їчвдгрозоїшя, показывающие, что при зондировании на линиях ?- и П- ветвэй порахолоп Гf0^0,0^^0 5 j jT - 003 яіттивнкх орзд ГО;, лазеров погр'мжеть опри пиления температура чокот не ;n/iR4i;a~b 1%, s нзсэленасс*ед - Ъ%. .
7. Оптическая схема развязки резонатора перестраиваемого С02 лазера, использующая поляркзашкданыв характеристики дифракционных решеток и поворот плоскости лтоляризации излучения Енутри резонатора, что позволяет расширить .диапазон перестройки и повысить модность выходного излучения.
8. Результаты экспериментального исследования спектра генерации С0„ лазера в режиме модуляции добротности, показывающие значительное расширение спектра при повышении скорости включения ' добротности и понижении скорости вращательной ралаксации молекул за счет уменьшения содержания в активной среде буферного газа.
Апробация работы.
Результаты, изложенные в диссертации были представлены и
обсуждены на следующих конференциях: XVII съезд по
спектроскопии (г. Минск, 1971 г.); конференция молодых ученых
ГОИ им.С.И.Вавилова (г.Ленинград, 1972 г.); IV Республиканская
конференция молодых ученых по физике (г.Гомель, 1976 г.); II
Всесоюзный семинар по физическим процессам в газовых ОКГ
(г.Ужгород, 1978 г.); V Республиканская конференция молодых
ученых по физике (г.Гродно, 1979 г.); X Сибирское совещание
по спектроскопии (г.Томск, 1981 г.); III Всесоюзная
конференция "Оптика лазеров" (г.Ленинград, 1982 г.); IV
Международная конференция по люминесценции (г.Сегед, Венгрия,
1982 г.); Всесоюзный, семинар "Лазерная технология в
приборостроении" (г.Рига, 1985 г.); Всесоюзная,
научно-техническая школа-семинар "Лазерное оптическое и
спектральное приборостроение" (г.Минск, 1987 г.); ИХ
Симпозиум по спектроскопии высокого разрешения (г.Красноярск,
1987 г.); IV Симпозиум "Динамика элементарных
атомно-молекулярных процессов" (г.Черноголовка, 1987 г.); XX Всесоюзный съезд по спектроскопии (г.Киев, 1988 г.); IV Всесоюзная конференция "Кинетические и газодинамические процессы в неравнозесннх средах" (г.Москва, 1988 г.); X Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений (г.Ужгород, 1988 г.); IV Всесоюзная конференция по голографии (г.Витебск, 1990 г.).
Материалы диссертации опубликованы в 32 статьях, препринте и 16 научных отчетах. По результатам работы получено 4 авторских свидетельства на изобретение.
достоверность полеченных результатов.
Все научные выводы, положения и рекомендации, представленные в диссертации, достаточно полно обоснованы теоретически и подтверждены экспериментально. Теоретические
исследования проведеш ня основе современных физических
представлений о процэссах релаксации .колебательной энергии
молекул- и- взаимодействия "молекул тя." "атомов с лазерным
излучением. Экспериментальные исследования процессов
релаксации колебательной энергии молекул выполнены о
использованием методов лазерно индуиироввшой ИК люминесценции
и лазерной интерферометрии, исследования колебательно
неравновесных сред проведены методом многочастотного
резонансного зондироЕэнил. Кроме того, достоверность
полученных результатов проверена путем сопоставления их о
ЛКТОРЭТУСНЫМИ ЛЭШШМИ. Л ТЯКИМ V.-lTftllluuu от»мічілі>»«;- — - — йнишопо чип імоияяіткн лнянгамт ояпячм»
Личный вклад автора. Личное участие автора в получении научных результатов выразилось в выборе направления исследований, постановке задач, обсужденш промежуточных и конечных результатов, обобщении и формулировании основшх выводов. Автор принимал непосредственное участие в постановке и выполнении основных экспериментов, им непосредственно выполнен ряд теоретических исследований. Ему . принадлежит теоретическая интерпретация подученных экспериментальных ртзультатоЕ. построение моделей механизмов изученных явлений и процессов, o6ochof~hv;~ и влібор методзв к подходов к решении зк.сш-ркменталыш. задач. Автору принадлежит мшциатика и непосредственное участке ь практическом ИОПОЛЬЗОЗ&НЧЙ полученных научных результатов и техгаїчеошіх разработок.
Соавторы отдельных работ принимали участие в оСсухугэкии научных результатов. Пост^нобия рлдэ проблем осугоотзлял&сь совместно с доктором 4гИвико-мптоматич«?ских наук Л.И.Орлоанм. Часть работ Ёнполнена в сояятопр.тпд п учен!ї^я?г.?, другие сч,;'іг-кг;' < т-.ijc-fiB.:.ч-1 с:;".'"з.'.- ;V;t .'.'p'-t^t-r-ira rc-^ijev-'4ecio;v с-- ""< и ^'.цпл.;:"'_'і:тц-ті:і_и'.. :ис:.одоиангьї, оквааьали техническое воздействие .на 'разли^ннх этапах выполнения диссертационной работы и не являются основными исполнителями.
Структура и об^ем Е№Ш.&і#у,
Дио-'ертотг.омч'ЕП :.н'оі'ч ^ііс vcht ил »"-,:-;екия, пяти т~я;:, заключения, биоллоірзі'ИП и содержи, vi<0 страниц текста. E'icf-j'r-ih 9 рисункоь. Описок актированной литературы состоит из ?45 нуимєн:ьчкііЯ.
II
