Рoccийcкие ученые coздали уникальный лазер для зoндирoвания oкружающей cреды. Он мoжет cтать единcтвенным в cвoем рoде cпектрocкoпичеcким инcтрументoм для oбнаружения в атмocфере даже малых примеcей вредных вещеcтв, выявление кoтoрых являетcя cегoдня веcьма актуальнoй прoблемoй.
Ирина Вoлкова
Идея cоздания такого лазера пришла группе физиков под руководcтвом кандидата физико-математических наук Дмитрия Синицына еще 10 лет назад. Дело в том, что спектральные диапазоны излучения СО лазера перекрывают те диапазоны, в которых расположены линии поглощения не только обычных веществ, таких как H2O, CO2, CH4, NO2, NO, ацетон, бензин, метанол и т.д., но и сильных загрязнителей, токсинов, взрывчатых и наркотических веществ. Ученым из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) удалось создать СО лазер, который может перестраиваться по более чем 400 спектральным линиям в диапазонах длин волн от 2,5 до 4 мкм и от 5 до 6,5 мкм.
Управлять параметрами
В самом начале, чтобы подтвердить оправданность идеи, надо было провести ряд расчетов. Они показали, что лучше всего для решения задач лазерного спектрального анализа многокомпонентных газовых смесей подходит обертонный (когда квант света излучается при переходе молекулы не на соседний колебательный уровень, а через один) СО лазер с криогенным охлаждением и накачкой высокочастотным разрядом. – Газовые лазеры, обладающие по своей «природе» узкой линией излучения, являются хорошим инструментом для спектрального анализа, – объясняет один из членов группы разработчиков нового типа лазера, старший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров отделения квантовой радиофизики ФИАН Леонид СЕЛЕЗНЕВ. – Лазер же, действующий на обертонных колебательных переходах молекулы окиси углерода, может перестраиваться с одной излучаемой длины волны на другую.
Высокочастотный (ВЧ) разряд позволяет относительно просто управлять параметрами накачки, например, переходить из непрерывного в импульсный режим излучения. Что касается криогенного охлаждения, то именно при охлаждении активной среды СО лазера до температуры ниже 77ºК он имеет наилучшие выходные характеристики.
Исследования в Европе и США
Первые попытки совместить все эти «условия» генерации излучения в одной лазерной установке были предприняты еще в 2000 г. Тогда российские физики совместно с физиками из США и Германии впервые экспериментально доказали возможность генерации излучения на обертонных переходах молекулы окиси углерода при возбуждении высокочастотным разрядом и последующим охлаждением до криогенных температур.
До этого СО лазеры с накачкой высокочастотным разрядом исследовались только на слегка пониженной температуре и только на основных переходах. Эксперименты производились на немецкой установке, которая, несмотря на немалые размеры (со среднюю жилую комнату), перекочевала в США. Такие размеры были необходимы для получения криогенных температур, для чего требовались мощные и достаточно громоздкие вакуумные насосы.
Тем временем, вернувшись из командировки, российские физики продолжили исследования. И уже здесь, на территории родной лаборатории газовых лазеров КРФ ФИАН под руководством профессора Андрея ИОНИНА, впоследствии будет создан компактный лазер (объем активной среды около 25 мл), воплощающий первоначальную идею.
Стремление к идеалу
– Компактного вида установки удалось достичь благодаря возбуждению высокочастотного разряда между двумя близко расположенными друг к другу электродами, т.е. так называемого щелевого разряда. Поскольку зазор между электродами в этом случае небольшой, то, охлаждая их до криогенных температур жидким азотом, то охлаждается и газ, расположенный между ними. С такой геометрией мы способны вложить в газ энергию и при этом практически не нагреть его, – рассказывает Леонид Селезнев.
Однако получить идеальную установку, отвечающую всем требованиям и ожидаемым характеристикам, не так-то просто. Это длительный процесс, требующий нескольких итераций модернизации. Например, для улучшения энергетических характеристик лазера в его активную среду добавляется кислород, но при работе с последним при низких температурах вырабатывается и сжижается взрывоопасный озон, причем в больших количествах.
– Обычно электроды располагаются горизонтально щели, но при сильном охлаждении между ними сжижается озон, и выйти ему оттуда при таком расположении электродов практически невозможно. Поэтому было решено поставить электроды вертикально. Тогда то, что обратилось в жидкое состояние, уходит само собой, а из-за присутствия теплого воздуха еще и испаряется. И подобных модернизаций нами было сделано еще очень много, – комментирует младший научный сотрудник той же лаборатории Андрей КОЗЛОВ.
В настоящее время физики из ФИАНа в рамках проекта РФФИ занимаются проработкой в лабораторных условиях различных модельных задач и расчетами характеристик лазера для каждой конкретной цели. Как показывают расчеты, длина трассы, на которой возможно обнаружение атмосферных примесей, и значение минимально обнаружимой концентрации примесного вещества зависят в первую очередь от степени поглощения конкретной длины волны излучения в атмосфере. Так, расстояние для дистанционного зондирования атмосферы может достигать от нескольких метров до нескольких десятков километров.
Управлять параметрами
В самом начале, чтобы подтвердить оправданность идеи, надо было провести ряд расчетов. Они показали, что лучше всего для решения задач лазерного спектрального анализа многокомпонентных газовых смесей подходит обертонный (когда квант света излучается при переходе молекулы не на соседний колебательный уровень, а через один) СО лазер с криогенным охлаждением и накачкой высокочастотным разрядом. – Газовые лазеры, обладающие по своей «природе» узкой линией излучения, являются хорошим инструментом для спектрального анализа, – объясняет один из членов группы разработчиков нового типа лазера, старший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров отделения квантовой радиофизики ФИАН Леонид СЕЛЕЗНЕВ. – Лазер же, действующий на обертонных колебательных переходах молекулы окиси углерода, может перестраиваться с одной излучаемой длины волны на другую.
Высокочастотный (ВЧ) разряд позволяет относительно просто управлять параметрами накачки, например, переходить из непрерывного в импульсный режим излучения. Что касается криогенного охлаждения, то именно при охлаждении активной среды СО лазера до температуры ниже 77ºК он имеет наилучшие выходные характеристики.
Исследования в Европе и США
Первые попытки совместить все эти «условия» генерации излучения в одной лазерной установке были предприняты еще в 2000 г. Тогда российские физики совместно с физиками из США и Германии впервые экспериментально доказали возможность генерации излучения на обертонных переходах молекулы окиси углерода при возбуждении высокочастотным разрядом и последующим охлаждением до криогенных температур.
До этого СО лазеры с накачкой высокочастотным разрядом исследовались только на слегка пониженной температуре и только на основных переходах. Эксперименты производились на немецкой установке, которая, несмотря на немалые размеры (со среднюю жилую комнату), перекочевала в США. Такие размеры были необходимы для получения криогенных температур, для чего требовались мощные и достаточно громоздкие вакуумные насосы.
Тем временем, вернувшись из командировки, российские физики продолжили исследования. И уже здесь, на территории родной лаборатории газовых лазеров КРФ ФИАН под руководством профессора Андрея ИОНИНА, впоследствии будет создан компактный лазер (объем активной среды около 25 мл), воплощающий первоначальную идею.
Стремление к идеалу
– Компактного вида установки удалось достичь благодаря возбуждению высокочастотного разряда между двумя близко расположенными друг к другу электродами, т.е. так называемого щелевого разряда. Поскольку зазор между электродами в этом случае небольшой, то, охлаждая их до криогенных температур жидким азотом, то охлаждается и газ, расположенный между ними. С такой геометрией мы способны вложить в газ энергию и при этом практически не нагреть его, – рассказывает Леонид Селезнев.
Однако получить идеальную установку, отвечающую всем требованиям и ожидаемым характеристикам, не так-то просто. Это длительный процесс, требующий нескольких итераций модернизации. Например, для улучшения энергетических характеристик лазера в его активную среду добавляется кислород, но при работе с последним при низких температурах вырабатывается и сжижается взрывоопасный озон, причем в больших количествах.
– Обычно электроды располагаются горизонтально щели, но при сильном охлаждении между ними сжижается озон, и выйти ему оттуда при таком расположении электродов практически невозможно. Поэтому было решено поставить электроды вертикально. Тогда то, что обратилось в жидкое состояние, уходит само собой, а из-за присутствия теплого воздуха еще и испаряется. И подобных модернизаций нами было сделано еще очень много, – комментирует младший научный сотрудник той же лаборатории Андрей КОЗЛОВ.
В настоящее время физики из ФИАНа в рамках проекта РФФИ занимаются проработкой в лабораторных условиях различных модельных задач и расчетами характеристик лазера для каждой конкретной цели. Как показывают расчеты, длина трассы, на которой возможно обнаружение атмосферных примесей, и значение минимально обнаружимой концентрации примесного вещества зависят в первую очередь от степени поглощения конкретной длины волны излучения в атмосфере. Так, расстояние для дистанционного зондирования атмосферы может достигать от нескольких метров до нескольких десятков километров.
