Прикладная фотохимия

Новое в конструировании лазеров

Рентгеновский лазер или лазер на свободных электронах XFEL (англ. Х-Ray Free Electron Laser) — один из многих перспективных лазеров. В отличие от газовых, жидкостных или лазеров твердого тела, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях, у XFEL источником излучения является пучок свободных электронов, проходящий сквозь ряд распо

ложенных специальным образом магнитов - ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерах, собирается и усиливается системой зеркал, установленных на концах вигглера. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение. Меняя энергию электронного пучка, а также параметры вигглера (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого XFEL. Это главное отличие XFEL от лазеров других систем. Излучение, получаемое с помощью XFEL, применяется для изучения нанометровых структур. Есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров. Этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм.

Получение рентгеновских лазерных лучей

В 2009-м году в Национальной Лаборатории им. Лоуренса Ливенмора (США) были завершены работы по созданию самого крупного лазера в мире лазерного комплекса имитации ядерных испытаний (National Ignition Facility, NIF). Эта установка способна сфокусировать 192 сверхмощных отдельных лазерных пучка, диаметром около 40 см каждый, в точку миниатюрной водородной капсулы (0.5 мм в диаметре), находящейся в центре 10-метровой мишени. NIF может передавать громадное количество энергии (мощность лазера составляет ~5х1014 Вт) с исключительной точностью в течение миллиардных долей секунды (~20 нс). Энергии импульса достаточно для начала термоядерной реакции дейтерия-трития (при этом вещество находится в плазменном состоянии с температурой порядка 108-109 К). С помощью NIF предполагается получить ранее недоступные данные о поведении материалов при температурах и давлении, сопоставимых с температурами и давлениями в центре звёзд; кроме того, эта установка позволит проводить фундаментальные исследования в области термоядерного синтеза в лабораторных условиях.

Лазерная установка NIF стала первым термоядерным лазером в мире, преодолевшем барьер в 1 МДж, послав 1,1 млн. Дж энергии УФ-диапазона в центр мишени, что превысило предыдущий “энергетический рекорд” более чем в 25 раз.

На создание NIF ушло 12 лет при финансовых затратах в 3,5 млрд. долл. США.

Американскими учеными был создан новый тип нанокристаллов, которые могут быть использованы как материалы для лазеров.

Полупроводниковые нанокристаллы характеризуются отличными светоизлучающими свойствами, однако достижение критических условий для генерации излучения достаточно сложно. Обычно нанокристаллы должны иметь, по крайней мере, два экситона (две электрон-дырочные пары), за счёт которых осуществляется светоизлучение в полупроводниках. Но из-за того, что нанокристаллы имеют небольшие размеры, экситоны аннигилируют друг с другом до того, как происходит светоизлучение.

Виктор Климов с коллегами из Los Alamos National Laboratory получили нанокристаллы, состоящие из ядра из сульфида кадмия и оболочки из селенида цинка. В таких нанокристаллах электроны и дырки физически изолированы друг от друга. В подобных нанокристаллах для оптического излучения требуется только один экситон. Это открывает возможность для практического использования их в получении лазеров.

Оптические носители информации

Информация хранится на компакт-диске в виде последовательности участков (т.н. питов, или pits) с переменной пропускаемостью либо отражаемостью света. Отражение интерпретируется как единица, отсутствие отражения — как ноль. Рабочая длина волны лазера — 780 нм. Цепочка питов расположена по спирали в направлении от центра. Интервал между витками — 1,6 мкм, ширина пита — 0,5 мкм, глубина — 0,125 мкм (глубина пита составляет 1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате, что является обязательным условием правильного рассеивания света при попадании в пит; подробное описание приведено ниже), минимальная длина — 0,83 мкм. Номинальная (1x) скорость передачи данных — 150 Кб/сек (176400 байт/сек аудио или "сырых" данных, 4,3 Мбит/сек "физических" данных). Принципиальное отличие оптических и магнитных дисков просматривается уже в скорости вращения самого диска: магнитные носители вращаются с постоянной угловой скоростью, а компакт-диск - переменной — тем самым обеспечивается постоянная линейная скорость для условных точек, находящихся на различном удалении от центра. Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных — с уменьшенным числом оборотов.

Оптические диски можно также разделить на группы по количеству возможных на них записей: CD-ROM (read only memory) — незаписываемые в домашних условиях диски, CD-R (recordable) — однократно записываемые диски и CD-RW (rewritable) — многократно перезаписываемые диски. Диски CD-ROM производятся на заводах с использованием специальных прессов. CD-ROM-диск имеет трехслойную структуру. В середине находится отражающий металлический слой (из алюминия, иногда золота — для длительного хранения информации), в котором сделаны сферические углубления — питы; с двух сторон этот слой покрыт поликарбонатом. Чтение происходит следующим образом: при попадании луча лазера на ровную поверхность отражающего слоя он (луч), отражаясь, попадает на светочувствительную область привода. Вследствие фотоэффекта появляется электрический импульс, интерпретируемый как "единица". Если же луч лазера попадает в пит, то он отражается в ином направлении и, как следствие, не попадает на специальную светочувствительную область; отсутствие импульса воспринимается как "ноль".

В принципе, CD-R-диски мало чем отличаются от CD-ROM-дисков. В конструкцию внесено лишь одно изменение, позволившее записывать информацию на такие диски в домашних условиях. Отражающий металлический слой не имеет пиитов, он абсолютно ровный, однако между ним и поликарбонатом добавлен еще один слой —регистрирующий. Этот слой представляет собой особое вещество, способное изменять свою светопропускающую способность. Обычно используются цианин и фталоцианин. В процессе записи лазер, проходя над определенными зонами, своим лучом нагревает их. Участки регистрирующего слоя при нагревании становятся мутными. При чтении информации эти участки выполняют роль питов, поскольку не отражают луч лазера целиком, а рассеивают его. Если же в данном месте регистрирующий слой прозрачен, луч проходит через него и, отражаясь от металлического слоя, попадает на светочувствительную область. Восстановить прозрачность участков регистрирующего слоя невозможно, благодаря чему информация защищена от перезаписи; тем не менее, данные могут быть потеряны при воздействии на диск ярких солнечных лучей или высокой температуры (в этом случае прозрачные участки станут непрозрачными).

 Скачать реферат