X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Широкое распространение получили в науке (например, создание искусственных опорных «звезд», фотохимия, термоядерный синтез), в военном деле (например, лазерное оружие, дальномеры, целеуказатели), в медицине (например, хирургия глаза), в косметологии, в связи и информационных технологиях, в промышленности, культуре и быту. Перспективно рассмотреть как широко используется лазерное излучение в нефтегазовой отрасли.

Лазерное излучение - вынужденное испускание атомами вещества порций-квантов электромагнитного излучения. Приборы, принцип действия которых основан на вынужденном излучении, используемом в диапазоне сверхвысоких частот для усиления генерации электромагнитных колебаний, называются мазерами. Позднее появились лазеры. Слово "лазер" — аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения). Следовательно, лазер (оптический квантовый генератор) — это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой.[1]

Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов:

-высокая когерентность излучения, т.е. распространение всех электромагнитных колебаний во времени и пространстве в одной фазе друг с другом, при этом формируется волновой фронт ;

-высокая монохроматичность, т.е. лазерный луч состоит из излучения одной частоты и не разлагается на цвета ;

-коллимированность, т.е. распространение света вдоль прямой линии ;

-огромная концентрация потока мощности;

-способность фокусироваться в очень малые объемы.

За счет монохроматичности лазерного луча и его малой расходимости (высокой степени коллиминированности) создаются исключительно высокие энергетические экспозиции, позволяющие получить локальный термоэффект. Это является основанием для использования лазерных установок при обработке материалов (резание, сверление, поверхностная закалка и др.), в хирургии и т. д.

Основные физические величины, характеризующие лазерное излучение:

-длина волны, мкм;

-энергетическая освещённость (плотность мощности), Вт/см², — отношение потока излучения, падающего на рассматриваемый небольшой участок поверхности, к площади этого участка;

-энергетическая экспозиция, Дж/см², — отношение энергии излучения, определяемой на рассматриваемом участке поверхности, к площади этого участка;

-длительность импульса, с;

-частота повторения импульсов, Гц, — количество импульсов за 1 с.

Лазерное излучение способно распространяться на значительные расстояния и отражаться от границы раздела двух сред, что позволяет применять это свойство для целей локации, навигации, связи и т. д. Путем подбора тех или иных веществ в качестве активной среды лазер может индуцировать излучение практически на всех длинах волн, начиная с ультрафиолетовых и кончая длинноволновыми инфракрасными. Наибольшее распространение в промышленности получили лазеры, генерирующие электромагнитные излучения с длиной волны 0,33; 0,49; 0,63; 0,69; 1,06; 10,6 мкм.

Лазерная установка включает активную (лазерную) среду с оптическим резонатором, источник энергии ее возбуждения и, как правило, систему охлаждения.

Свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других, как поток особых частиц (фотонов). Мы будем рассматривать свет как электромагнитную волну, электрическая и магнитная компоненты поля которой колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях и перпендикулярно направлению распространения волны.

Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет, испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет каких-то особых условий) атомы не взаимодействуют с долями квантов.

Длина волны (стало быть, цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Это наглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением (например, неоном), которые используются в декоративной иллюминации и рекламе.

Когда атом излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света, атом приобретает дополнительную энергию.

Поскольку энергия переносится к атому и от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретных энергетических состояний – либо в основном (с минимальной энергией), либо в каком-то из возбужденных.

Атом, находящийся в основном состоянии, при поглощении кванта света переходит в возбужденное состояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем больше квантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают подобные переходы – с повышением или понижением энергии. (Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому такие процессы называют вынужденными – вынужденное поглощение и вынужденное излучение.)

При вынужденном поглощении число квантов уменьшается, и интенсивность света убывает, а энергия атомов возрастает.

Если некоторое множество атомов, попав в освещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, то возникает лазерный эффект – усиление света вынужденным излучением (данного множества атомов). Лазерная генерация может возникнуть только в том множестве микрочастиц, где возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно, такое множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в него дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; эта операция так и называется – накачка.

Типы лазеров различаются в основном по видам накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.

Действие лазера начинается с возбуждения атомов хрома и их переходов на энергетические уровни F1 и F2. Затем каждый возбужденный атом спонтанно (самопроизвольно, т.е. невынужденно) излучает квант (нелазерного излучения) и, потеряв часть своей энергии, переходит на метастабильный уровень E. Далее, под воздействием вынуждающего кванта с лазерной длиной волны (такие кванты есть в излучении лампы накачки) атом излучает еще один такой же квант, согласованный по фазе с вынуждающим, и переходит на свой основной энергетический уровень.Они довольно широки, и атомы хрома возбуждаются многими длинами волн света накачки. Однако вследствие нестабильности они мгновенно покидают уровни F и переходят на более низкий уровень E; при этих переходах излучения не происходит, а высвобождаемая энергия передается кристаллической решетке окиси алюминия, где и рассеивается в форме тепловых потерь. Однако с уровня E атом хрома излучает вынужденно и переходит вследствие этого на основной уровень. Кванты, эмитированные атомами хрома, многократно отражаются между посеребренными зеркалами рубинового стержня и по пути вынуждают многие возбужденные атомы испускать такие же кванты; процесс нарастает лавинообразно и заканчивается импульсом лазерного света. Полупрозрачное зеркало должно хорошо отражать лазерное излучение, чтобы обеспечить необходимую интенсивность его вынуждающей доли, но одновременно и побольше пропускать его на выход; обычно его коэффициент отражения – около 80%. При самопроизвольном излучении атом хрома пребывает на возбужденном уровне E не более 10-7 с, а при вынужденном – в 10 тысяч раз дольше (10-3 с). Поэтому у лазерного света достаточно времени, чтобы вызвать вынужденное излучение огромного числа возбужденных атомов активной среды.

Наиболее распространёнными являются газовые лазеры (гелий-неоновый, аргоновый, криптоновый, ксеноновый, углекислотный, азотный, лазер на фтористом водороде, эксимерный лазер и др.), лазеры на красителях, лазеры на парах металлов (гелий-кадмиевый, гелий-ртутный, гелий-селеновый, на парах меди и золота), твердотельные (рубиновый, титан-сапфировый, волоконный и др.) , полупроводниковые, лазеры на свободных электронах. Также существуют квантовые усилители – это лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора.

В настоящее время среди многочисленных видов лазеров, используемых в науке и технике, особое место занимают лазеры на органических соединениях (ЛОС). Вследствие широкого практического использования они стали объектом изучения многих исследователей. Научные коллективы разных стран приняли участие в поиске новых лазерных красителей, разработке и испытании новых источников возбуждения и активных сред. За эти годы разработана теория лазерной генерации ЛОС, созданы и усовершенствованы новые типы лазеров. Преимуществами ЛОС перед другими видами лазеров являются возможность плавно и непрерывно перестраивать длину волны лазерного излучения в широком диапазоне и получать многополосное излучение, использующееся для решения ряда практически важных задач ( в частности, при зондировании атмосферы , в многоимпульсной многоцветной спектроскопии и т.д.), а также высокий коэффициент усиления испускаемого активной средой света. Лазеры на органических соединениях являются одним из источников импульсов пико- и фемтосекундной длительности. [3]

Известна технология обработки нефти и нефтепродуктов низкоэнергетическим лазерным излучением длиной волны 630 нм и мощностью 0,02 Вт. В результате повышается эффективность процессов нефтепереработки и улучшается качество моторных топлив. При обработке бензинов лазером мощностью 1 Вт и длиной волны 890 нм повышается октановое число на 10 и более единиц.

При обработке светлых нефтяных фракций увеличивается процент выхода бензина, керосина, дизельного топлива, сокращается время переработки и улучшается качество фракций. Лазерное излучение способствует улучшению пусковых свойств топлива, устойчивости работы на нём двигателя, однородности состава топлива, а также увеличению октанового числа.

При обработке дизельного топлива улучшается распыливание и полнота сгорания топлива, уменьшается нагар образования, снижается износ деталей, увеличивается ресурс двигателя, а также увеличивается цитановое число.

Использование лазерного воздействия в углеводородных системах влияет на межмолекулярные силы, инициирует изменение структуры за счет химических превращений. Необходимым условием для стимулирования процессов является системный анализ строения и свойств соединений, подвергающихся облучению.

Лазерное воздействие на химические реакции может быть тепловым и фотохимическим. Из-за быстрой релаксации молекул в упругих средах ряд исследователей предпочитает работать с лазером в газовых средах. При этом удавалось достигать значимого воздействия энергии лазерного излучения на молекулы реагентов, сопровождающегося химическим превращением вещества, и решать задачи направленного синтеза с высокой селективностью. Выделение из газофазной химической смеси когерентного излучения позволило создать химические лазеры.

При воздействии на жидкую и твердую среды, вследствие быстрого перераспределения энергии, сообщаемой источником лазерного излучения, были достигнуты более скромные результаты. Ведь энергия, первоначально сосредоточенная на одной связи, оказывается равномерно распределенной среди всех других связей в молекуле за время 10^-9 – 10^-11 с. Поэтому для проведения реакций, селективных по связям, необходимо подобрать такие скорости возбуждения и скорости реакций, которые будут больше скорости внутримолекулярного перераспределения энергии.

В противном случае селективность лазерного возбуждения теряется, и лазерное воздействие носит тепловой характер.

Таблица 1 - Результаты анализа продуктов облучения индивидуальных углеводородов, смесей и прямогонной бензиновой фракции

Сырье	Режим облучения	Показатель преломления nd20			Октановое число (ММ)
		До облучения	После облучения	До облучения		После облучения
Этилбензол	Импульсный	1,4892	1,4892	91		91
Гексен – 1	Импульсный	1,3828	1,3830	32		32,5
Смесь н-гексана и гексена-1 (1:1)	Импульсный	1,3840	1,3835	34		33
Смесь н-гептана и гексена-1 (1:1)	Постоянный	1,3718	1,3760	21		27
Прямогонная бензиновая фракция	Постоянный	1,3958	1,3984	44		49

В таблице 1 представлены результаты анализа продуктов облучения индивидуальных углеводородов, смесей и прямогонной бензиновой фракции. Видно, что постоянный режим лазерного облучения оказывает большее воздействие на углеводородные системы, чем импульсный. Максимальный прирост октанового числа характерен для прямогонной бензиновой фракции. Среди индивидуальных углеводородов наиболее легко поддается лазерной обработке н-гептан.

В настоящее время ведутся исследования взаимодействия низкоэнергетического лазерного излучения с жидкими моторными топливами, смазочными материалами, электролитами и т.п.

Обработка нефти и нефтепродуктов низкоэнергетическим лазерным излучением позволяет повысить эффективность процессов и улучшить качество моторных топлив.

Список использованных источников

Лазеры // https://ru.wikipedia.org (Дата обращения: 5.04.2015)

Принцип действия рубинового лазера //http://alninyo.ru/work/diplom/urok_1_2.html (Дата обращения: 5.04.2015)

Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. Пер. с англ. Т. 1,2. –М. : Сов. радио, 1978. – Т.1- 503 с., Т.2 – 400 с.

Химия и технология топлив и масел.- 2014.- 1₍₅₈₁₎ .- С.9-12.

Код для цитирования: Скопировать