Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Молекула СО2 – рабочее вещество лазера.

Читайте также:
  1. V2:Тема 7.6 Внутреннее строение конечного мозга – белое вещество, базальные ганглии. Пирамидная и экстрапирамидная системы. Полосатое тело. Стриопаллидарная система.
  2. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
  3. Молекула Н2S
  4. Органическое вещество почвы
  5. Основное вещество
  6. Подготовьте свое рабочее место

Молекула СО2 – трехатомная линейная молекула, три входящих в ее состав атома кислород – углерод – кислород выстроены в одну линию. Возбужденные состояния атома вызываются только одним видом движения – переходом электрона, получившего определенную порцию энергии извне, из основного состояния или из более низкого возбужденного состояния в более высокое возбужденное состояние. Таким образом, форма движения атома – это электронные переходы с одного дискретного энергетического уровня на другой. В отличие от этого у молекулы различают не один, а три вида движения:

* электронное движение – изменение положения электрона относительно атомных ядер;

* колебательное движение – периодические изменения относительного расположения ядер атомов, создающие колебательные их перемещения относительно друг друга.

* вращательное движение – периодические изменения ориентации молекулы как целого, иначе говоря, вращательные движения молекулы как единого целого.

Энергия молекулы Е есть сумма энергий каждого движения с включением тех добавок, которые связаны с энергиями взаимодействий различных видов движений:

Е = Еэл + Екол + Евращ (2.34)

Энергия молекулы квантуется, и ее возможные состояния представляются в виде дискретных энергетических уровней. Так, изменение электронной энергии сопровождается также изменением колебательной и вращательной энергий, в результате возникают электронно-колебательно-вращательные спектры. Для простоты их назы­вают просто электронными спектрами. Они обычно располагаются в видимой и УФ областях спектра.

Оценка количественных отношений трех видов энергии молекулы дает следующий результат:

Еэл : Екол: Евращ = 1: g: g2 (2.35)

где g = (me/ M)1/2, me – масса электрона, М – величина порядка массы ядра молекулы, то есть g < 1. Обычное значение электронной энергии порядка единиц эВ, оно ближе к 10 эВ, энергия Екол порядка десятых – сотых долей эВ, а Евращ еще на порядок меньше. С точки зрения получения лазерных эффектов интересны спектры, возникающие при DЕэл = 0, когда переходы совершаются только в пределах колебательно-вращательного спектра. Такой спектр ради краткости называют просто колебатель­ным. Общее число колебательных степеней свободы у молекулы определяется усло­вием: 3N – C, где N – число атомов в молекуле. С = 5 для двухатомной и линейной молекул и С = 6 для нелинейной многоатомной молекулы. Так, молекула СО2 имеет 4 колебательные и 2 вращательные степени свободы. Колебательные энергетиче­ские уровни молекулы вычисляются путем решения соответствующей задачи в рам­ках квантовой механики. Но используется и классическое приближение, в котором формы колебаний приобретают наглядный вид. Каждую из разновидностей колеба­ний называют модой, трехатомная молекула СО2 имеет 3 фундаментальные моды:

· n1 - симметричная валентная мода;

· n2 - деформационная мода;

· n3 - асимметричная валентная мода.

В понятиях гармонических колебаний энергия каждого такого движения определяется соотношением:

(2.36)

vk – колебательные квантовые числа, принимающие дискретные значения 0, 1, 2,... Самому низкому энергетическому уровню соответствует vk = 0, энергию этого уровня

Eo = S nk (2.37)

называют нулевой энергией молекулы.

Энергетические уровни, для которых все квантовые числа vk за исключением одного равны нулю, а это одно значение равно единице, называют фундаментальными. Уровни энергии с одним квантовым числом большим единицы называют обертоном, а уровни энергии с несколькими отличными от нуля квантовыми чис­лами называют комбинационными. На рис. 2.4 представлена упрощенная схема нижних колебательных уровней основного электронного состояния молекулы СО2. Энергия уровней выражена в особых энергетических единицах – в

см-1, поскольку ставший привычным электрон-вольт оказывается слишком крупной единицей для подобных энергий. Единица энергии см–1 определяется из соотношения

,

где с – скорость света в вакууме, l – длина волны колебаний (в см). Учитывая, что h = 6,626×10– 34 [Дж×с], находим: 1 см–1 = 1,24×10– 4 эВ или 1 эВ = 8,07×103 см–1 = 1,6×10– 19 Дж. Уровни на рис.2.4 имеют трехцифирные обозначения, которые соответствуют трем квантовым числам, относящимся к соответствующим модам: n1n2n3. Например, 10о0 означает, что это фундаментальный уровень симметричной валентной моды (n1= 1, n2=n3=0). Индекс квантового числа деформационной моды означает степень вырождения уровня этой моды. Так, запись 02о0 означает, что уровень является обертоном деформационной моды, состояние которого не является вырожденным (индекс 0).

На приведенной схеме справа присутствует изображение первого возбужденного колебательного состояния двухатомной молекулы азота. Добавка азота к двууглекислому газу играет существенную роль в процессе эффективного заселения верхнего лазерного уровня молекулы СО2, но подробнее это обстоятельство мы обсудим не­сколько позже. Пока же добавим к уже сказанному, что излучение или поглощение электромагнитных волн на колебательных переходах молекулы описывается соот­ношением:

(2.38)

Вращательная структура колебательных полос поглощения. У линейных многоатомных молекул энергия вращения определяется соотношением:

Евращ = B j(j + 1)

где j – вращательное квантовое число. Совокупность вращательных линий (на рис.2.4 они не могут быть выделены, поскольку сливаются с колебательными уровнями) образует соответственно S-, R-, Q-, P-, O- ветви. Распределение вращательных полос внутри ветви имеет максимум. У молекулы CO2 максимум для ветви Р имеет место при j’ = 19 ¸ 20. Существование вращательных линий позволяет в принципе осуществлять некоторые изменения частоты лазерного перехода (в небольших пределах, но и это иногда существенно). Что же делает молекулу двуокиси углерода пригодной для получения лазерного эффекта? В колебательном спектре этой молекулы (рис.2.4) имеется метастабильный уровень 00о1, время жизни возбужденных молекул на котором значительно пре­восходит время жизни на нижележащих уровнях 10о0 и 02о0. В принципе этим обес­печивается возможность заселения метастабильного уровня, который при этом ста­новится верхним лазерным уровнем, а два указанные нижележащие уровни при их быстрой очистке обеспечивают поддержание инверсной населенности между верх­ним и нижним

 

состояниями молекул. Следовательно, лазерная генерация в среде молекул двуокиси углерода требует обеспечить эффективное возбуждение молекул СО2, при котором заселяется преимущественно верхний уровень, а нижележащие уровни остаются практически свободными. Источником энергии накачки среды стано­вится электрический разряд в газе, состоящем в основном из молекул СО2. Но не каждый разряд и не в любом режиме может обеспечить выполнение необходимых требований. Перед Кумаром Пателем, создавшим первый молекулярный СО2 лазер, стояла непростая задача, которую ему удалось успешно решить.


Дата добавления: 2015-10-16; просмотров: 408 | Нарушение авторских прав


Читайте в этой же книге: ОТ АВТОРА | ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОЩНЫХ ЛАЗЕРОВ | ТИПЫ МОЩНЫХ ЛАЗЕРОВ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЙ. | Часть первая. СО2 ЛАЗЕРЫ | Определение: плазма – квазинейтральная система, содержащая смесь заряженных и, воз­можно, нейтральных частиц вещества. | ОСНОВЫ ФИЗИКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ | СТОЛКНОВЕНИЯ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ. | ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНАЯ НАКАЧКА СО2 ЛАЗЕРА | НЕПРЕРЫВНЫЕ СО2 ЛАЗЕРЫ | ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ СО2 ЛАЗЕРОВ |
<== предыдущая страница | следующая страница ==>
КВАЗИРАВНОВЕСНАЯ И ЧАСТИЧНО РАВНОВЕСНАЯ ПЛАЗМА| ВОЗБУЖДЕНИЕ МОЛЕКУЛ СО2 В РАЗРЯДЕ

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.006 сек.)