Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Квантовохимическое исследование возможности генерации лазерного излучения на эксимерных катионах HeNa +, NeNa + и HeO +

Диссертация: Квантовохимическое исследование возможности генерации лазерного излучения на эксимерных катионах HeNa +, NeNa + и HeO +
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В четвертой главе представлены результаты квантовохимических расчетов потенциальных кривых иона НеО+, корреллирующих с четырьмя нижними диссоциационными пределами. Рассчитаны дипольные моменты переходов 222″ → 12Е" и 241 Г —" 14Е". Определены энергии и радиационные времена жизни колебательных уровней, структурные и спектроскопические постоянные состояний 12?~, 222T, 14?24S Рассчитан спектр… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Обзор литературы
  • 2. Электронная структура и спектры флюоресценции катионов NaHe+ и NaNe+
    • 2. 1. Теоретические основы метода CASSCF
    • 2. 2. Расчет потенциальных кривых соответствующих первым двум диссоциационным пределам
    • 2. 3. Расчет функций дипольных моментов переходов между лазерными состояниями
    • 2. 4. Энергии и времена жизни колебательных состояний лазерных термов катионов HeNa+ и NeNa+ и их теоретический спектр флюоресценции
  • 3. Роль катиона аргона в процессе распада состояния 13Е+ катиона NaHe+
  • 4. Электронная структура и спектр флюоресценции катиона НеО+
    • 4. 1. Потенциальные кривые и дипольные моменты переходов низколежащих состояний катиона НеО+
    • 4. 2. Время жизни катиона НеО+ в электронно-колебательных состояниях, порождаемых молекулярными термами 242″ и 22Е~ и его теоретический спектр флюоресценции

Квантовохимическое исследование возможности генерации лазерного излучения на эксимерных катионах HeNa +, NeNa + и HeO + (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

С момента создания первых лазеров прошло чуть более сорока лет. Но за этот сравнительно короткий срок лазеры, благодаря уникальным свойствам их излучения, успели широко проникнуть в различные области науки и техники: в физику, электронику, вычислительную технику, энергетику, геологию, метеорологию, биофизику, медицину, и т. д. Чрезвычайно плодотворным оказалось применение лазеров в химии для проведения химических реакций по определенному каналу под воздействием лазерного излучения, разработки эффективных способов разделения изотопов, ультратонкой очистки веществ и получения новых веществ, синтез которых в обычных условиях представляет очень сложную задачу. С внедрением лазерных методов диагностики на качественно новый уровень поднялась аналитическая химия. Сейчас разработаны методы диагностики, позволяющие обнаруживать концентрации органических молекул на уровне чувствительности обоняния человека и животных (105−106 молекул в кубическом сантиметре), а в случае атомов чувствительность лазерных методов оказывается на несколько порядков выше.

В последние годы повышенное внимание уделяется поиску молекулярных частиц перспективных для генерации излучения как в ближнем УФ (200−400нм), так и в дальнем УФ (10−200нм) диапазонах спектра. С этой точки зрения, особый интерес представляют так называемые эксимерные частицы, которые существуют только в возбужденном электронном состоянии. В настоящее время с помощью эксимерных лазеров может быть получено мощное импульсное когерентное излучение в области 130- 1000 нм с очень высоким КПД (до 10%) и с уникальной возможностью перестройки частоты генерации в широком диапазоне. В 1985 г., на основе предварительных качественных соображений и приближенных оценок, Басов и др. [1] высказали предположение о возможности существования нескольких новых классов гетероядерных молекулярных катионов, включающих атом инертного газа, которые могут быть перспективны для получения генерации излучения в области дальнего УФ. Работа Басова и др. стимулировала интенсивные экспериментальные исследования спектров флюоресценции таких частиц, подтвердившие их эксимерную природу. Тем не менее информация о структурных, энергетических и спектральных характеристиках верхних «лазерных» электронных состояний таких молекулярных ионов практически отсутствует.

Предлагаемая работа посвящена тщательному теоретическому изучению эксимерных молекулярных ионов, как исследовавшихся так и не исследовавшихся ранее экспериментально, перспективных для подучения лазерного излучения в области дальнего УФ.

Цель диссертации. Целью диссертации является теоретическое исследование эксимерных катионов HeNa+, NeNa+ и НеО+, для оценки их способности генерировать излучение в УФ области. Исследование катионов HeNa+, NeNa+, для которых имеется экспериментальная информация (см. ниже) позволит оценить эффективность и надежность используемых подходов, а для мало изученного катиона НеО+ получить новые данные о его электронной структуре и оценить его перспективность с точки зрения генерации излучения.

Научная новизна. Новыми результатами полученными при теоретическом исследовании катионов HeNa+, NeNa+ и НеО+ являются:

— структурные и спектроскопические постоянные потенциальных кривых первых возбужденных состояний;

— данные о колебательной структуре первых связанных состояний- -значения частот и интенсивностей дипольно разрешенных переходов с верхний «лазерных» уровней;

— времена жизни верхних «лазерных» уровней относительно излучательного распада;

— спектры флюоресценции и сечения вынужденного излучения- -предложен один из возможных каналов распада катиона HeNa+, находящегося в состоянии 132+, под воздействием катионов аргона.

Научная и практическая ценность. Впервые дано теоретическое описание спектров флюоресценции катионов HeNa+, NeNa+ и НеО+, подучены энергетические, спектральные и структурные характеристики их возбужденных электронных состояний. Показано, что современные квантовохимические методы дают достаточно точное описание спектров рассматриваемых катионов и что ион НеО+ действительно перспективен для получения излучения в УФ области. Показано также, что в ряде случаев качественные выводы Басова и др. нуждаются в уточнении.

Содержание работы. В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, направленных на определение оптических и структурных свойств катионов HeNa+, NeNa+ и НеО+.

Во второй главе описаны теоретические основы использованного метода и приведены результаты выполненых квантовохимических расчетов потенциальных кривых катионов HeNa+n NeNa+, соответствующих двум первым диссоциационным пределам, определены их структурные и спектроскопические постоянные. Рассчитаны функции дипольных моментов для разрешенных переходов. Определены уровни колебательных энергий для лазерных состояний и радиационные времена жизни для верхних лазерных состояний. Рассчитаны спектры флюоресценции для данных катионов.

В третьей главе рассматривается один из возможных механизмов.

3 + + распада триплетного (1 Е) состояния катиона NaHe. Путем сканирование ППЭ катиона ArNaHe++ установлено, что взаимодействие катионов Ar+(12PU) и NaHe+(l3?+) приводит к диссоциации последнего с образованием иона Не+ в основном состоянии.

В четвертой главе представлены результаты квантовохимических расчетов потенциальных кривых иона НеО+, корреллирующих с четырьмя нижними диссоциационными пределами. Рассчитаны дипольные моменты переходов 222″ -> 12Е" и 241 Г —" 14Е". Определены энергии и радиационные времена жизни колебательных уровней, структурные и спектроскопические постоянные состояний 12?~, 222T, 14?24S Рассчитан спектр флюоресценции, отвечающий переходам 222″ -" 12Е" и 24Е" 14?~. Апробация работы. Результаты работы докладывались:

1. На II научной сессии УНЦХ, посвященной 275-летию основания Санкт-Петербургского университета и 250-летию химической науки в России.

2. На II всероссийской школе-конференции им. В. А. Фока по квантовой и вычислительной химии (Новгород, 1 -4 февраля 2000 г.).

Публикации. Результаты работы опубликованы в двух научных работах и тезисах доклада:

1. А. Н. Петров, А. И. Панин Электронная структура эксимерных излучательных систем типа инертный газ-щелочной металл. -Тезисы докладов II научной сессии УНЦХ, Санкт-Петербург, 1998, с. 121.

2. Петров А. Н., Панин А. И. Электронная структура эксимерных излучательных систем типа инертный газ-щелочной металл на примере катиона HeNa+ // Опт. и спектр. 1999. Т. 86. В.З. С. 432 — 437.

3. Panin A.I., Petrov A.N., Khait Yu.G. Theoretical study of low-lying electronic states and emission spectra of the excimer ions HeNa+ and NeNa+ IITHEOCHEM 1999. V.490. P. 189−200.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 54 наименований. Изложена на 75 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков и 19 таблиц.

Выводы.

Новые результаты, полученные в данной работе, касающиеся строения возбужденных состояний катионов NaHe+ и NaNe+, времен жизни колебательных уровней, порожденных возбужденными синглетными состояниями, теоретического спектра излучения, подтвердили качественные выводы Басова и др. 1] о эксимерном характере катионов типа инертный газ щелочной — металл и о возможности генерации на них лазерного излучения.

Как видно из рис. 1,7,8 спектры катионов NaHe+ и NaNe+, полученные теоретически в данной работе, находятся в хорошем соответствии с экспериментом, причем положения основных максимумов, полученные нами, практически совпадают с данными Хаммера и др[8].

Полученные данные также показали, что вопреки ранее высказанным предположениям, среди возбужденных электронных состояний, коррелирующих с диссоциационным пределом Rg+ + Me, имеются практически неизлучающие связанные триплетные состояния. Более того, энергии связи этих триплетных состояний оказались существенно больше энергий связи лазерных синглетных состояний.

На примере взаимодействия катионов NaHe+(l3?+) и Ar+(12PU) нами было показано, что при накачке активной среды пучком катионов аргона неактивные триплетные состояния будут распадаться с образованием катионов гелия. Таким образом, триплетные состояния не только не способствуют затуханию излучения, но наоборот, служат своего рода накопителями катионов гелия, необходимых для поддержания излучения.

Выполненные расчеты показали, что катион НеО+ также является эксимерной частицей. Инверсия заселенностей может достигаться благодаря малым энергиям диссоциации нижних лазерных уровней, что позволяет надеяться, что усиление может стать достаточным для генерации лазерного излучения. При этом оказалось, что перспективными для генерации излучения будут переходы 2-" 12Е" и 24ZT ->• 14S", которым по нашим расчетам будут соответствовать длины волн 167,8 и 112,8 нм. Учитывая величины рассчитанных сечений вынужденного излучения (рис. 15) и то, что квартетное состояние будет заселяться быстрее, чем дублетное, можно сделать вывод, что переход 241 Г 1окажется более перспективным.

Так как времена жизни верхних лазерных уровней катиона НеО+ существенно различаются, КПД излучающей среды должен существенно зависеть от распределения частиц НеО+ по колебательным состояниям.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Н. Г., Войтик М. Г., Зуев В. С., Кутахов В. П.
  2. Квантовая Электроника. 1985. Т. 12. N 11. С. 2204−2225.
  3. Эксимерные лазеры, под ред. Ч. Роудза, М.,"Мир", 1981, 245 С.
  4. М. Mantel and Н. Langhoff, Z. Phys. D 15 (1990) 297.
  5. J. Fiedler, L. Frey, F. Steigerwald, H. Langhoff, T. Griegel, K. Petkau and J. W. Hammer, VUV transitions in ionic rare — gas alkali molecules, Z. Phys. D 11 (1989) 141 — 145.
  6. M. Mantel, G. Herre, H. Langhoff, K. Petkau and J. W. Hammer, The fine structure of the first excited states in the rare -gas -alkali ions, J. Phys. В 23 (1991) 4111 4117.
  7. К. Petkau, J. W. Hammer, G. Herre, M. Mantel, and H. Langhoff, Vacuum ultraviolet emission spectra of the helium and neon alkali ions in the range between 60 80 nm, J. Chem. Phys. 94 (1991) 7769 — 7774.
  8. D. Xing, K. Ueda, H. Takuma, Vacuum ultraviolet transitions from rare gas alkali ionic excimers (XeRb) + and (KrRb) + by electron beam excitation, Appl. Phys. Lett. 59 (1991) 1028 — 1030.
  9. J. W. Hammer, K. Petkau, T. Griegel, H. Langhoff, and M. Mantel, New possible laser media in the UV and XUV in high current heavy ion beam induced plasmas, Hyperfine Interactions 88 (1994) 151−156.
  10. F.T. J. L. Lankhorst, H. M. J. Bastiaens, P. J. M. Peters, and W. J. Witteman, Formation and quenching mechanisms of the electron beam pumped (XeRb) + ionic excimer in different by few gases, Appl. Phys. Lett. 64 (1994) 2471 2473.
  11. D. Xing, Q. Wang, S. Tan, K. Ueda, Bound -free vacuum UV emissions of (XeCs) + and (KrCs) + ionic excimers by relativistic electron beam excitation, Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 2584.
  12. D. Xing, S. Tan., Q. Wang, Int. J. Optoelectron. 12 (1998) 45.
  13. M. Schumann and H. Langhoff, The production kinetics for raregas alkali ions, J. Chem. Phys. 91 (1989) 5440 5443.
  14. P. Millar, T. Petersen, G. Warwar, P. J. Wisoff, and R. Sauerbrey, 1. Opt. Lett. 14 (1989) 171.
  15. S. Kudobera, L. Frey, P. J. Wisof, and R. Sauerbrey, Opt. Lett.13 (1980) 446.
  16. G. Toth, J. F. Young, and R. Sauerbrey, Opt. Lett. 12 (1993)2120.
  17. D. Lo and J. L. Lawless, Fluorescence emissions of rare gas — alkali ionic excimers in electrical discharges Opt. Commun. 86 (1991) 151 — 155.
  18. H. Tischler, Ph. Delaporte, and M. Sentis, IEEE J. Sel. Topics
  19. Quantum Electron. 1 (1995) 886.
  20. M. Mantel, M. Schumann, A. Giez, H. Langhoff, W. Hammer, and K. Petkau, In vestigation on the production kinetics of ionic alkali rare gase excimers, J. Chem. Phys. 97 (1992) 3325 -3332.
  21. M. Schumann and H. Langhoff, Kinetic studies of ionic excimers,
  22. J. Chem. Phys. 101 (1994) 4769 4777.
  23. Ph. Delaporte, M. Voitik, and M. Sentis, Observation of triatomic ionic excimers: Emission spectra of Kr2+Cs, Apll. Phys. Lett. 70 (1997) 2526−2528.
  24. I. V. Kochetov, A. P. Napartovich, D. Lo, and J. L. Lawless, Gain dynamics of ionic excimer (XeCs) + emission at 160 nm in Ar/Xe/Cs, Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 1888.
  25. I. R. Gatland, W. F. Morrison, H. W. Ellis, M. G. Thackston, E. W. McDaniel, M. H. Alexander, L. A. Viehland, and E. A. Mason, The Li+ He interaction potential, J. Chem. Phys. 66 (1977) 5121 -5125.
  26. I. R. Gatland,, Ion mobility test of Li+ Arpotentials, J. Chem.1. Phys. 75 (1981)4162−4163.
  27. P. Polak-Dingles, M. S. Rajan, and E. A. Gislason, J. Chem. Phys., Determination of lithiym ion rare gas potentials from total cross section measurements, 77 (1982) 3983 — 3993.
  28. R. Alhrichs, H. H. Buhm, S. Brode, К. T. Tang, and J. P. Toennies, Interaction potentials for alkali ion rare gas and halogen ion — rare gas systems, J. Chem. Phys. 88 (1988) 6290 -6302.
  29. R. E. Olson and B. Liu, Interaction potential for the XlH state of Li+ + Лr, Chem. Phys. Lett. 62 (1979) 242 245.
  30. M. Jungen and V. Staemmler, Potential energy curves for the Rydberg states of LiHe and the spectrum of Li atoms interactingwith He gas, J. Phys. В 21 (1988) 463 -484.
  31. Gemot Frenking, Wolfram Koch, Dieter Cremer, Jurgen Gauss and Joel F. Liebman, Helium bonding in singly and doubly charged first row diatomic cations HeX"+ (X=Li-Ne-n=l, 2), J. Phys. Chem. 93 (1989) 3397 -3410.
  32. G. Frenking, W. Koch, D. Cremer, J. Gauss, and J. F. Liebman, Neon and argon bonding in first row cations Ne X+ and ArX+
  33. X=Li-Ar) J. Phys. Chem. 93 (1989) 3410- 3418.
  34. I. Rmeggen and H. R. Skullerud, The interatomic potential for the XJ1+ state NeLi+, J. Phys. В 25 (1992) 1795 1809.
  35. S. Bililign, M. Gutowski, J. Simons, and W. H. Breckenridge, 2 2
  36. Potential energy curves of M (np P)?RG (П) excited states and M+RGgraund states (M=Li, Na- RG=He, Ne), J. Chem. Phys. 100 (1994) 8212.
  37. D. Xing, K. Ueda, and H. Takuma, SPIE 2321 (1994) 731.
  38. R. Ahlrichs, P. Scharf, and C. Ehrhardt, J. Chem. Phys. 84 (1986)5606.
  39. S. Iwata, S. Nanbu, and H. Kitajima, Theoretical studies of vacuum ultraviolet emission spectra of NeLt and ArLi+, J. Chem.1. Phys. 94 (1991)3707−3714.
  40. A.A.Viggiano and Robert A. Morris, Mobilites and interactionpotentials for 0+ He and O' - He systems., J. Chem. Phys. 98 (1993) 6483 -6487.
  41. S.L.Lin and J.N.Bardsley, Monte Carlo simulation of ion motion in drift tubes, J. Chem. Phys. 66 (1977) 435−445.
  42. David L. Cooper and Stephen Wilson, Noble gas molecular ions, Mol. Physics 44 (1981) 161 172.
  43. Joel F. Liebman and Leland C. Allen, Bonding in rare gas diatomic ions containing nitrogen or oxygen, Int. J. mass spectrometry and ion physics, 7 (1971) 27−31.
  44. S.D.Augustin, W.H.Miller, P.K.Pearson and H.F.Schaefer, Potential curves and inelastic cross sections for low energy collisions of 0+ and He, J. Chem. Phys. 58 (1973) 2845 2850.
  45. R.W.Simpson, R.G.A.R. Maclagan, and P.W. Harland, Interaction potentials and mobility calculations for the HeO+ system, J. Chem. Phys. 87 (1987) 5419−5424.
  46. Roos B.O.// in «Advances in ChemicaPhysics».1987.V.69.P.339−441.
  47. Davidson E.R.JThe Iterative Calculation of Few of the Lowest igenvalues and Corresponding Eigenvectors of Large Real
  48. Symmetric Matrices, J. of Comput. Phys 17(1975) 87 94.
  49. C.E. //Analyses of Optical Spectra: National Bureau of Standards-US Government Printing Office: Washington, 1. DC, 1970. NSRDS-NBS
  50. Schmidt M.W., Baldrigge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupius M., Montgomery J.A. //J. Comput. Chem. 1993. V.14. P.1347−1363.
  51. Kendal R.A., Dunning Т. H., Jr. and Harrison R. J., Electron affinites of the first row atoms revisited. Systematic basis sets and wave functions, J. Chem. Phys. 96 (1992) 6796−6817.
  52. Shavitt I.//in «The Unitary Group for the Evaluation of Electronic Energy Matrix Elements». J. Hinze, Ed. 1981. (Springer, Berlin). Vol.22, p.51−62.
  53. Jl. Салем, в кн.: Электроны в химических реакциях, Москва «Мир» 1985 г.
  54. В. И., Козлов В. А., Кузнецова Л. А., Диссоциационный предел дипольного момента перехода двухатомных молекул, Опт. и спекгр.6 (1988) 1228−1234.
  55. Кузнецова J1. А., Кузьменко Н. Е., Кузяков Ю. Я. Пластинин Ю. А. //Вероятности оптических переходов двухатомных молекул. М.1980. 320с.
  56. Tellinghuisen J.// Chem. Phys. Lett. 1984. У. 105. N 3. P. 241 243.
  57. Tellinghuisen J., Julienne P. S.// J. Chem. Phys. 1984. V. 81. N 12. P. 5779−5785.
  58. В. И., Об оценке времени жизни возбужденного электронного состояния. Теория, Опт. и спектр. 3 (1987) 570−574.
  59. Н. Е., Пупышев В. И., Столяров А. В. Об оценке времени жизни возбужденного электронного состояния. Приложение к молекуле NaH. Опт. и спектр. 4(1987)756−761.
  60. Н.Е., Кузнецова Л. А., Кузяков Ю. Я. //в кн.: Факторы Франка-Кондона двухатомных молекул.1. М. 1984. 342 С.
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!