Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (бывш. СПбГПУ)

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

1-3 шпоры.doc

Скачиваний:

Добавлен:

01.05.2025

Размер:

606 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 52 3 4 5 > Следующая >>>

Длительность лазерных импульсов

Большая мощность лазерных импульсов достигается в течение короткого времени, поэтому длительность каждого лазерного импульса также является очень важным параметром. Чем короче импульс, тем большее разрешение во времени можно получить при исследовании того или иного быстропротекающего физического, химического или биологического процесса. Получены лазерные импульсы длительностью в несколько десятков фемтосекунд (1 фс=10^-15 с). Это означает, что в течение одного импульса успевает произойти всего около десятка электромагнитных колебаний световой волны. Следует, однако, учесть, что при сокращении длительности лазерного импульса увеличивается ширина его спектра излучения, т. е. ухудшается монохроматичность.

Различные длительности импульса лазеров и варианты их реализации приведены в таблице 2.

Таблица 2 – длительности импульса лазера

№	Длительность воздействия, c	Варианты реализации (тип лазера, режим модуляции)
1	Миллисекунды, 10^-3	Nd-YAG - лазер – режим свободной генерации; импульсный CO₂– лазер; сканирующий СО₂–лазер; сканирующий Nd-YAG – лазер; сканирующий Ar-ion - лазер
2	Микросекунды, 10^-6	Nd-YAG - лазер: акустооптическая модуляция, электрооптическая модуляция, диодная накачка. Импульсный СО₂- лазер
3	Наносекунды, 10^-9	Азотный лазер, лазер на парах меди, эксимерные лазеры
4	Пикосекунды, 10^-12	Nd-YAG- лазер: режим самосинхронизации мод; эксимерные лазеры
5	Фемтосекунды, 10^-15	Ti-сапфир лазер: режим самосинхронизации мод; эксимерные лазеры
6.	Аттосекунды, 10^-18	Ti-сапфир-лазер

Когерентность

Наконец, еще одним важным свойством лазерного излучения является его когерентность. Когерентность характеризуется тем, что колебания электромагнитного поля лазерного излучения имеют постоянный во времени сдвиг фаз для 2-х произвольных точек пучка. Это означает, что все фотоны лазерного излучения находятся в одной и той же фазе в отличие, скажем от фотонов, излучаемых тепловыми источниками. Там каждый атом или молекула излучают кванты света независимо друг от друга. В результате, в общем световом потоке фазы фотонов распределены хаотически. В лазерном же источнике атомы или молекулы излучают кванты одновременно, поэтому их фазы совпадают. В этом смысле лазерное излучение похоже на излучение обычных радиоантенн.

Одним из следствий когерентности является малая угловая расходимость лазерного излучения (у газовых лазеров, работающих в непрерывном режиме, менее 1 мрад). Другими словами, лазерный луч имеет практически строго цилиндрическую форму, что существенно упрощает его использование как в технике, так и в физических экспериментах.

Все указанные свойства лазерного излучения нашли свое применение в современной фотохимической практике. Монохроматичность лазерного излучения, большой выбор лазерных длин волн, а также их способность перестраиваться по частоте позволяют легко настроиться на нужную длину волны. Малая расходимость лазерного излучения существенно облегчает дозиметрию и дает возможность осуществлять много проходов в кювете с облучаемым веществом. Когерентность лазерного излучения используется в ряде специальных методов анализа фотохимических продуктов. Высокая интенсивность лазерного излучения приводит к двум важным направлениям использования в фотохимии. Это, в первую очередь, осуществление многоквантовых (многоступенчатых, многофотонных) фотохимических процессов. Во-вторых, возможность исследования быстрых стадий фотохимических реакций с временным разрешением вплоть до 10^-14с.

Лазерная химия объединяет в себе несколько направлений.

Лазерная термохимия, которая изучает тепловое действие лазерного излучения на химически активные среды.

Лазерная фотохимия, которая изучает химические превращения под воздействием лазерного излучения.

Плазмохимия, которая изучает химические процессы, происходящие в плазме.

С момента появления лазеров наибольшее внимание уделялось использованию процессов НЕРЕЗОНАНСНОГО взаимодействия интенсивных световых потоков с веществом. Причем применялись как непрерывные, так и импульсные режимы работы лазеров. Примеры такого силового лазерного воздействия хорошо известны. Это лазерная обработка сверхтвердых материалов, лазерная сварка, лазерная резка, лазерное сверление отверстий и т.д. Однако особый интерес представляет РЕЗОНАНСНОЕ взаимодействие лазерного излучения с веществом. Именно такой вид воздействия дает возможность СЕЛЕКТИВНОГО воздействия на атомы, ионы, молекулы и молекулярные комплексы. Следует добавить, что для лазерного ввода энергии характерны точная локализация, дозированность, гомогенность и стерильность. Поэтому именно резонансное взаимодействие лазерного излучения с веществом нашло широкое применение в современных лазерных технологиях по разделению изотопов химических элементов. Например, разделение дейтерия и водорода в смеси. Как известно, дейтерий используется для получения «тяжелой воды», которая необходима для замедления быстрых нейтронов при цепной реакции, происходящей в ядерном реакторе. Разделение изотопов Бора-11 и Бора-12, Углерода-13 и Углерода-12(углерод-13 используется для диагностики новообразований в человеческом организме), Кремний-29 и кремний-30(используется в микроэлектронике, Осмий-187 и Осмий-192 и т.д.

Многие изотопы используются в медицине. Иттербий -168 (в естественной смеси его содержится порядка 0.14%, а необходимое содержание для создания лекарств должно быть на уровне 20-25%. Цена 1 г иттербия-168 достигает 300 тыс. $.

Значимым и важным является использование лазера в технологии по обогащению и разделению изотопов урана. Известно, что уран – это стратегически очень важный элемент для государств, имеющих ядерные реакторы. Содержание урана в земной коре составляет около 4 г/т породы. Известно 14 изотопов урана. В большинстве перерабатываемых руд содержание урана колеблется от 0,01-0,1%, причем изотоп U²³⁸составляет 99,28%, изотоп U²³⁵составляет 0,71%, а U²³⁴– 0,006%. Как известно, радиоактивный уран, обогащенный изотопом U²³⁵, используется для производства ядерной энергии в ядерных реакторах. Для этих целей требуется уран с концентрацией изотопа U²³⁵ порядка нескольких процентов. Высокообогащенный уран по изотопу –235 используется в ядерном оружие.

Лазерное разделение изотопов урана можно представить в виде следующей схемы:

Перевод

П риготовление Селективное Химическое Отделение исх. продукта рабочего возбуждение* превращение продукта в товарную

в ещества форму

*Применяется лазер на красителе родамин 6Ж непрерывного действия с длиной волны равной 0,6 мкм.

Разделение изотопов урана основано на СЕЛЕКТИВНОМ возбуждении атомов U²³⁵(испаренных из металла при 2500^оК или молекул UF_6.) Атомы изотопа U²³⁵селективно возбуждались в результате резонансного взаимодействия с излучением 0,6 мкм, затем селективно ионизировались и отделялись от нейтральных атомов.

Пример другого применения лазера – это лазерохимический синтез.

Резонансное взаимодействие излучения СО₂–лазера со смесью газов силана (SiH₄) и аммиака (NH₃) является основой современной технологии получения зерен порошка нитрида кремния (Si₃N₄). Порошки нитрида кремния, полученные по этой технологии, обладают специфической чистотой, зерна имеют шарообразную форму, кристаллическую структуру и не слипаются. Эти порошки хорошо спекаются в жаропрочные керамические изделия очень высокого качества.

3 SiH₄ + 4 NH₃ = Si₃N₄ + 6 H₂

Лазерные технологии широко используются при изготовлении полупроводников и сложных микросхем. Это отжиг с помощью лазера непрерывного действия, в результате чего устраняются повреждения, вызванные внедрением ионов B, As, P в Si – подложках, за счет перекристаллизация твердой фазы. Это и лазерностимулированное травление полупроводников. Например, для получения сложных схем используется травление кремниевой пластины в атмосфере хлора или хлор-водорода. Кроме того, воздействие лазерного излучения на пленку или тонкий слой составляет основу методов ЛАЗЕРНОЙ ЛИТОГРАФИИ. С помощью этих методов можно производить:

1.Подгонку электрических параметров пленочных элементов (сопротивлений пленочных резисторов, емкостей пленочных конденсаторов, и т.д.)

2. Размерная подстройка пленочных элементов (шкал, сеток, фотошаблонов)

3.Формирование на подложке пленочной топологии (микросхемы, фотошаблоны, интегральные схемы, маски)

4. Запись информации.

Следует обратить внимание на лазерные технологии, в основе которых лежит ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЬЕКТАМИ. Виды воздействия могут быть следующими:

Невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не изменяет своих свойств в результате воздействия лазерного излучения. Такие виды воздействия используются в диагностике
Фотодеструктивный эффект, при котором в силу теплового, гидродинамического и др. видов воздействия возникает деструкция тканей. Используется этот эффект в хирургии. Лазеры уверенно вошли в арсенал хирурга благодаря следующим достоинствам лазерного луча, как режущего инструмента.
- стерилизация гнойных ран, профилактика возможного заражения послеоперационных ран
- коагуляция (слипание, сгущение, свертывание) мелких кровеносных сосудов в зоне разреза и в связи с этим уменьшение потери крови
- уменьшение операционных и послеоперационных болей.

Фотохимический эффект, при котором свет, поглощенный биосубстанциями, возбуждает в них атомы и молекулы, инициируя прохождение фотохимических реакций. Данный эффект используется в терапевтических целях и называется «Фотодинамической терапией».

Например, широко применяется методика лазерноиндуцированной термотерапии щитовидной железы. При температуре 43-45^оС патологические (нездоровые) клетки щитовидной железы гибнут, а здоровые остаются невредимыми. ИК-излучение (0,8-1,1 мкм) от лазера направляется через гибкий волоконный световод на пораженное место.

Так же широко применяется лазерная фотодинамическая терапия злокачественных опухолей. Методика основана на селективном накоплении определенных светопоглощающих препаратов (фотосенсибилизаторов) в опухолевой ткани. Фотосенсибилизаторы способны вызывать фотореакции после облучения светом определенной длины волны, что в последующем приводит к разрушению опухоли.

Широко известно применение лазера в качестве хирургического средства при лечении ГЛАЗНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ (глаукомы, катаракты, близорукости, дальнозоркости, астигматизма и т.д.)

Сейчас началось интенсивное применение лазерных технологий в КОСМЕТОЛОГИИ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ.

Зубоврачебная практика также использует лазер для полимеризации материалов, используемых в стоматологии.

Существует еще одно направление, которое связывается с информативным применением лазеров, для передачи и обработки информации, для осуществления контроля и измерений. Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая цифровая память, оптическая передача информации лазерные печатающие устройства.

Лекция № 2

Основные химические понятия

Скорость химической реакции

Рассмотрим химическую реакцию

aА + bВ = cС + dD 2.1

А, B, C, D – реагенты и продукты реакции

a, b, c, d - стехиометрические коэффициенты.

Скорость этой реакции характеризуется величиной W.

Закон действующих масс

При постоянной температуре скорость химической реакции прямопропорцианальна произведению концентраций реагирующих веществ, в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

Если в реакции 2.1 выполняется закон действующих масс, то скорость реакции можно выразить в следующем виде:

2.2

k – константа скорости реакции, независящая от концентрации реагентов

C_А, C_B - концентрации реагентов

a, b - стехиометрические коэффициенты, они же и порядки реакции по веществам А и В.

Принято говорить, что реакция 2.1 имеет порядок a по веществу А и порядок b по веществу В. Общий порядок реакции представляет собой сумму (a + b). В природе реакции бывают различных порядков от 0 до 3^х.

Реакция имеет нулевой порядок, если ее скорость не зависит от концентрации реагирующих веществ. В этом случае скорость изменения концентрации постоянна.