Российские ученые создали уникальный лазер для зондирования окружающей среды

Сотрудникам Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) удалось создать СО лазер, с помощью которого можно обнаружить в атмосфере целый букет загрязнителей, включая ядовитые и взрывчатые вещества.

Новый лазер может перестраиваться более чем по 400 спектральным линиям с длиной волны от 2,5 до 4 мкм и от 5 до 6,5 мкм. Эта особенность нового лазерного спектроскопического инструмента позволяет обнаруживать в сложных газовых смесях атмосферы даже малые примеси наркотических, ядовитых и взрывчатых веществ.

Идея создания такого лазера пришла группе физиков под руководством кандидата физ.-мат.наук Дмитрия Синицына еще в 2000 году. Дело в том, что спектральные диапазоны излучения СО лазера перекрывают те диапазоны, в которых расположены линии поглощения не только таких веществ, как H₂O, CO₂, CH₄, NO₂, NO, ацетон, бензин, метанол и т.д., но и токсинов, взрывчатых и наркотических веществ. Это осложняет спектральный лазерный анализ газовых смесей, в которых содержится несколько видов загрязнителей.

Для того чтобы подтвердить жизнеспособность предложенной идеи, нужно было провести ряд предварительных расчетов. Расчеты провели, и они показали, что для решения задач анализа многокомпонентных газовых смесей лучше всего подходит обертонный (в котором квант света излучается при переходе молекулы не на соседний колебательный уровень, а через один) СО лазер с криогенным охлаждением и накачкой высокочастотным разрядом. "Лазер, действующий на обертонных колебательных переходах молекулы окиси углерода, дает возможность перестраиваться с одной излучаемой длины волны на другую. Высокочастотный 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 77 К (минус 196о С) он имеет наилучшие выходные характеристики", – объясняет один из членов группы разработчиков нового типа лазеров старший научный сотрудник лаборатории Газовых лазеров Отделения квантовой радиофизики ФИАН Леонид Селезнев.

Важное свойство нового лазера – его компактность с объемом активной среды около 25 мл.

"Компактного вида установки удалось достичь благодаря возбуждению высокочастотного разряда между двумя близко расположенными друг к другу электродами, то есть, так называемого, щелевого разряда. Так как зазор между электродами в этом случае небольшой, то охлаждая их до криогенных температур жидким азотом, мы охлаждаем и газ, расположенный между ними. С такой геометрией мы можем вложить в газ энергию, и при этом практически не нагреть его", - рассказывает Леонид Селезнев.

Минимальные обнаруживаемые концентрации атмосферных примесей с помощью лазерной спектроскопии и расстояние, на котором возможно их обнаружение, различны для разных веществ. Последнее может меняться от нескольких метров до нескольких десятков километров для разных загрязнителей. Поэтому сейчас ученые ФИАН занимаются проводят расчеты характеристик лазера для каждой конкретной задачи.