Многофотонное возбуждение молекул в экстремальные состояния интенсивным широкополосным ИК излучением короткой и сверхкороткой длительности Данилов, Евгений Олегович

Введение к работе

Актуальность темы. Впечатляющие достижения последних лет в создании высокоинтенсивных лазерных систем короткой и сверхкороткой длительности позволили выйти на качественно новый уровень экспериментов, относящихся к задаче взаимодействия лазерного излучения с молекулами и молекулярными комплексами. Яркими примерами могут служить диссоциативная ионизация (кулоновский взрыв) молекул', ориентирование и захват молекул в сильных световых полях, осуществление реакций фотоотрыва заряженных частиц, образование высокоэнергетических кластеров молекулярных ионов и др.

Приведенные явления так или иначе относятся к проблеме поведения молекул в экстремальных, сильно неравновесных условиях. Хорошо известные процессы ИК многофотонного возбуждения (МФВ), многофотошюй диссоциации (МФД), обратной электронной релаксации (ОЭР) под действием интенсивного излучения короткой длительности являются характерными примерами дозированного возбуждения молекул в экстремальные состояния.

Недавние эксперименты по резонансному ИК МФВ молекул демонстрируют возможности реализации ускорителей нейтральных частиц, активирования гетерогенных реакций в результате эффективного возбуждения молекулярных комплексов на развитой поверхности структур с пониженной размерностью (пористый кремний) и др.

Новые особенности в этих и других процессах могут возникнуть при переходе к импульсам сверхкороткой длительности с предельно высокими значениями интенсивности ИК лазерного излучения, способными перевести молекулы в состояние экстремального возбуждения.

Научный интерес к исследованиям высоколежащих возбужденных колебательных состояний молекул с энергией порядка энергии активации связан с проблемой мод-селективной диссоциации, причем использование импульсов сверхкороткой длительности приобретает решающее значение, так как характерные времена внутримолекулярной релаксации высоковозбужденных состояний лежат в субпикосекундном диапазоне длительностей. При этом сопутствующая сверхкоротким импульсам значительная спектральная ширина и высокая интенсивность излучения делают также необходимым исследование влияния этих параметров на процесс МФВ в различных условиях.

Практический интерес представляет инициирование химических реакций из высоковозбужденных состояний. Экстремальное колебательное возбуждение, которое может включать и перевозбуждение над границей диссоциации, приводит к неадиабатической связи электронного и ядерного движений и существенному изменению химических свойств молекулы. Молекула в состоянии экстремального возбуждения распадается по иным каналам, чем в случае теплового нагрева, что приводит к появлению специфических неравновесных, химически активных радикалов. Химические реакции, в которые могут вступать возбужденные в такие состояния, но не распавшиеся молекулы, также могут отличаться от реакций слабовозбужденных молекул.

Увеличение эффективности и скорости фотовозбуждения при переходе к импульсам пикосекундной длительности приводит к тому, что становится возможным перевозбуждение над границей диссоциации и небольших многоатомных молекул. При этом, поскольку конечный уровень, до которого можно перевозбудить молекулу над порогом диссоциации, определяется равновесием между скоростью оптического возбуждения и скоростью распада молекулы на фрагменты, могут быть реализованы каналы распада с большей энергией активации.

В качестве объектов исследования могут быть выбраны относительно простые молекулы, данные о возбуждении которых в равновесных условиях имеются в литературе. В частности, в диапазоне 10 мкм представляет интерес исследование возбуждения молекулы С2Н4, которая служит исходным компонентом целого ряда реакций химического синтеза.

Зависимость сечения МФП от интенсивности и ширины спектра излучения проявляется и в спектральном диапазоне 2,7-т-З мкм, где расположены характеристические частоты колебаний О-Н связей органических молекул, характерной особенностью которых является большой (~80 см^-1) энгармонизм и поэтому низкая эффективность бесстолкновительного возбуждения под действием узкополосного излучения с типичной шириной спектра 0,03 см"¹. Наличие в структуре колебательного спектра молекулы межмодовых резонансов с дефектом в несколько см^-1 приводит к тому, что эффективность возбуждения растет при увеличении спектральной ширины возбуждающего излучения.

Расширение диапазона исследований в рамках проблемы взаимодействия резонансного лазерного излучения с молекулами за счет включения новых объектов, способных поглощать в средней ИК области и поэтому потенциально способных переходить в состояния экстремального возбуждения, невозможно без разработки мощных источников излучения с характеристиками, отличными от традиционно используемых, например TEA СО2 лазеров. Поэтому естественный интерес представляет дальнейшее развитие надежных и практичных лазеров и эффективных усилителей импульсов короткой и сверхкороткой длительности среднего ИК диапазона.

Целью диссертационной работы являлось:

-Разработка и создание экспериментального комплекса, позволяющего на основе используемых экспериментальных методик исследовать процессы резонансного возбуждения молекул в экстремальные состояния широкополосным лазерным излучением короткой и сверхкороткой длительности с плотностями энергии до 1 кДж/см² и интенсивностями до 2-Ю¹⁰ Вт/см² в области 3 мкм на основе YSGG:Cr:Er^a3epa и с плотностями энергии до 200 Дж/см² в диапазоне интенсивностей 10⁹ - 10¹² Вт/см² в области 10 мкм с использованием С02-лазерных систем.

-Реализация усиления на десятимикронных переходах молекулы СО2 в процессе резонансного возбуждения ее составных колебаний интенсивным коротким импульсом YSGG:Cr:Er^a3epa с длиной волны 2,7 мкм.

-Осуществление процессов многофотонного поглощения МФП и многофотонной диссоциации МФД молекулы СН3ОН интенсивным широкополосным излучением твердотельного YSGG:Cr:Er- лазера в диапазоне 2,7 мкм.

- Исследование процесса МФВ в условиях экстремального возбуждения молекул С2Н4 и SFg широкополосным ИК лазерным излучением короткой и сверхкороткой длительности в диапазоне 10 мкм.

Научная новизна результатов.

1. Создан лазер на кристалле YSGG:Cr:Er с модулятором добротности на основе эффекта нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), осуществлена генерация широкополосного (~3 см"*) излучения с длительностью импульсов 60+10 нс, к.п.д. 0.15% и энергией -170 мДж на длине волны 2.79 мкм и при использовании дисперсионного резонатора реализовано дискретно перестраиваемое излучение на длинах волн 2,79; 2,70; и 2,64 мкм с энергией в импульсе соответственно -60; -40; и -5 мДж.

2. Установлено, что, в отличие от случая многофотонного возбуждения узкополосным излучением HF-лазера, ИК МФД молекул СН3ОН широкополосным излучением твердотельного YSGG:Cr:Er лазера достигается в режиме, близком к бесстолкновительному, при умеренной плотности падающей энергии ~100 Дж/см^ и интенсивности ~2-10⁹ Вт/см .

3. Осуществлена оптическая накачка составных колебаний (10 1,02 1) молекул в смесях СС>2-Не высокого (-10 атм) давления широкополосным излучением твердотельного YSGG:Cr:Er лазера с длительностью импульса генерации 60±10 нс на длинах волн 2,70 и 2,79 мкм и на лазерном переходе 00 1-10 0 достигнут коэффициент усиления слабого сигнала 0,01±0,002 см" , сравнимый с коэффициентом линейного усиления типичных ТЕ С0₂ лазеров.

4. При плотностях энергии лазерного десятимикронного излучения >100 Дж/см² и интенсивностях >10¹² Вт/см² реализовано ИК МФВ молекул С2Н4 в экстремальные состояния с величинами поглощенной энергии, превышающими порог диссоциации, и в этих условиях исследован механизм деструкции исходной молекулы. Осуществлена лазерно - радикальная реакция образующегося в процессе распада этилена короткоживущего химически активного промежуточного радикала карбенового типа винилидена Н2С=С: с акцептором НС1.

Практическая ценность работы. Экспериментальный комплекс и используемые методики могут служить основой для создания лабораторных установок, позволяющих исследовать процессы резонансного возбуждения молекул в экстремальные состояния широкополосным лазерным ИК излучением короткой и сверхкороткой длительности. С0₂ усилитель высокого давления с оптической накачкой излучением импульсного YSGG:Cr:Er лазера трехмикронного диапазона с модулятором добротности

на основе эффекта НПВО может быть прототипом мощных субпикосекундных усилительных систем десятимикронного диапазона; YSGG:Cr:Er лазер может таклсе использоваться для медико - биологических приложений. Результаты исследования процессов МФВ и МФД молекул под действием интенсивного резонансного ИК излучения могут служить для оптимизации лазерно химических экспериментов по синтезу новых целевых продуктов.

Защищаемые положения.

1. Модулятор добротности на основе эффекта НПВО при использовании дисперсионного резонатора позволяет реализовать генерацию импульсов YSGG:Cr:Er^a3epa длительностью 60+10 не с к.п.д. 0.15% и энергией 170 мДж на длине волны 2.79 мкм и дискретно перестраиваемую генерацию на длинах волн 2,79; 2,70; и 2,64 мкм с энергией в импульсе -60; -40; и -5 мДж.

2. Излучение YSGG:Cr:Er-%na3epa на длинах волн накачки 2,70 и 2,79 мкм при плотностях падающей энергии 2 и 3 Дж/см² и среднем энерговкладе 240 и 360 мДж/(см³-атм) соответственно позволяет получить инверсию населенности на лазерных переходах молекулы СС>2 в газовых смесях С0₂-Не высокого (10 атм) давления и достичь коэффициента усиления слабого сигнала на лазерном переходе 00^1-10^0, равного 0,01+0,002 см~1.

3. ИК МФД молекул СН3ОН широкополосным излучением твердотельного YSGG:Cr:Er лазера реализуется в режиме, близком к бесстолкновительному, три умеренной плотности падающей энергии -100 Дж/см^ и интенсивности -2-Ю⁹ Вт/см^ в отличие от случая многофотонного возбуждения і'зкополосньїм излучением HF-лазера.

4. Интенсивное широкополосное излучение короткой и сверхкороткой
уштельности в десятимикронном диапазоне обеспечивает экстремально
їьісокую скорость многофотонного фотовозбуждения молекул С2Н4,
іеревозбуждение над порогом диссоциации и эффективную деструкцию
ітилена. В случае возбуждения цугом пикосекундных импульсов (плотность
інергии до 100 Дж/см², интенсивность до 10¹² Вт/см²) и "широкополосными"
іаносекундньїми импульсами (плотность энергии до .120 Дж/см²,
щтенсивность до 2-Ю⁹ Вт/см²) поглощенная в газе энергия превышает
гарог диссоциации, что подтверждается наличием сигнала видимой
гюминесценции и монотонным ростом сигнала оптико акустического

детектора. Порог возникновения сигнала люминесценции составляет 20±5 Дж/см2 для цуга пикосекундных импульсов и 45±5 Дж/см^ для "широкополосных" наносекундных импульсов, что, в свою очередь, согласуется с результатами измерения МФП. Диссоциация молекул С2Н4 из высоковозбужденных состояний приводит к увеличению концентрации короткоживущих химически активных промежуточных продуктов диссоциации - карбенов, что позволяет зафиксировать их в процессе радикальной реакции с химическим акцептором.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1984), VII Международной конференции "Ultrafast Processes in Spectroscopy" (Bayreuth, Germany, 1991), 5-й Всероссийской конференции по лазерной химии (Лазоревское, 1992), Международной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 1993), Международной конференции "Mode - Locked and Solid State Lasers, Amplifiers and Applications" (Quebec, Canada, 1993), Международной конференции "XXII European Congress on Molecular Spectroscopy" (Essen, Germany, 1994), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995), 1-й Всероссийской конференции "Физико - химические процессы при селекции атомов и молекул" (Звенигород, 1996).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 17 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 188 наименований, содержит 162 страницы машинописного текста, 50 рисунков и 4 таблицы.

Похожие диссертации на Многофотонное возбуждение молекул в экстремальные состояния интенсивным широкополосным ИК излучением короткой и сверхкороткой длительности

Генерация лазерного излучения пикосекундной длительности в вакуумном ультрафиолетовом диапазонеГанеев, Рашид Аширович

Околокритические состояния и фазовые переходы, индуцированные лазерным излучением наносекундной длительности на поверхности металлов, механически нагруженной слоем прозрачного диэлектрикаИвочкин Александр Юрьевич

Физика обработки металлов импульсным лазерным излучением миллисекундного диапазона длительностиКаюков, Сергей Васильевич

Обращение волнового фронта излучения CO2-лазеров с большой длительностью импульса на тепловых динамических голограммах в элегазе и органических жидкостяхСоколов Виктор Николаевич

Аналитические решения для многоуровневых моделей многофотонного колебательного возбуждения молекулМазуренко, Александр Сергеевич

Исследование процессов возбуждения молекул в газоразрядной плазме в смеси окиси углерода с гелиемБлашков, Владимир Иванович

Колебательное возбуждение и диссоциация молекул в газоразрядной плазме среднего давленияКеримкулов, Мурзабек Асылбекович

Механизмы формирования селективности фотохимических процессов при ИК лазерном колебательном возбуждении и диссоциации молекулЛаптев Владимир Борисович

Модели релаксационных параметров спектральных линий двух- и трехатомных молекул при сильном колебательном возбужденииСтройнова Валентина Николаевна

Нелинейные характеристики люминесценции ансамблей сложных органических молекул, обусловленные безызлучательным переносом энергии электронного возбужденияСахарук, Сергей Адамович