ЛАЗЕРЫ ^^^^^^^^^^^^^^
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 621.373.826.038.823:535.21
ГЕНЕРАТОР СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА ГАЗОПРОТОЧНОГО ТИПА НА БАЗЕ ПОРИСТЫХ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ СТРУКТУР
© 2012 г. И. В. Багров*, **, И. М. Белоусова*, ***, А. С. Гренишин*, **, В. М. Киселев*, **,
И. М. Кисляков*, ***, Е. Н. Соснов*, **
* Институт лазерной физики, Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова,
199034 Санкт-Петербург, Россия ** ЗАО "Лазеры и оптические системы", 199034Санкт-Петербург, Россия *** Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики,
197101 Санкт-Петербург, Россия * E-mail: Kiselev_V_M@yahoo.com Поступила в редакцию 20.09.2011 г.
Приведены результаты исследований эффективности генерации синглетного кислорода при оптической накачке твердофазных фуллеренсодержащих структур при широком варьировании условий эксперимента. Представлено описание генератора синглетного кислорода, работающего на базе пористых фуллеренсодержащих структур с оптической накачкой фуллерена светодиодной матрицей и с непрерывным потоком молекулярного кислорода через пористую структуру подложки на облучаемую фуллереновую поверхность.
ВВЕДЕНИЕ
Использование твердофазных структур для наработки синглетного кислорода на их поверхности применяется достаточно давно и широко, в том числе, и с выходом электронно-возбужденных или электронно-колебательно-возбужденных молекул с поверхности фотосенсибилизатора в газовую фазу. Достаточно указать на обширный обзор работ по этой теме, представленный в [1], а также на ряд более поздних исследовательских работ и патентов [2—9]. Вскоре после открытия фуллерена появились работы и по его использованию в качестве фотосенсибилизатора для получения синглетного кислорода. При этом применялись растворы фуллерена [10—15], его суспензии [16, 17] и твердофазные пленочные структуры [18—23]. Разумеется, представленные ссылки далеко не исчерпывают весь объем исследований в этой области, а дают лишь некоторые начальные сведения. Область применения синглетного кислорода, как известно, также весьма обширна: от фотодинамической терапии в медицине и систем очистки и обеззараживания медицинских препаратов до лазерных технологий и устройств очистки воздуха как бытовых, так и специальных назначений.
В данной работе предполагается рассмотреть лишь довольно узкий раздел упомянутых выше исследований по наработке синглетного кислорода, а именно на твердофазных фуллереновых структурах, в основном для лазерных применений. В свое время после успешных опытов по наработке синглетного кислорода на фуллереновой
пленочной поверхности [18, 19] была предложена идея использовать этот механизм для создания фуллерен-кислород-йодного лазера [24], которая спустя несколько лет нашла свое отражение в патенте РФ [25]. Практическая реализация фулле-рен-кислород-йодного лазера была впервые осуществлена в работе [26], хотя и не в полном соответствии с предложенными ранее схемами [24, 25], и вначале на весьма скромном уровне лазерной генерации. Однако в последующих работах [27, 28] уровень лазерной генерации фуллерен-кислород-йодного лазера был постепенно доведен до более высоких параметров, но одновременно обнаружились и определенные проблемы, которые требовали своего решения.
В работе [29], посвященной анализу достижений и проблем фуллерен-кислород-йодного лазера, на основе анализа полученных ранее результатов были определены конкретные направления оптимизации конструкции лазера и генератора синглетного кислорода, которые должны были устранить выявленные негативные факторы на пути создания нового облика фуллерен-кисло-род-йодного лазера с высокими и стабильными параметрами выходного излучения при непрерывном режиме генерации.
Эти проблемы были связаны прежде всего с негативным влиянием йода на эффективность работы фуллеренового покрытия, а также с ограниченными возможностями естественного восполнения запасов сорбированного в фуллерено-вом покрытии молекулярного кислорода, расходуемого в процессе работы лазера. А для этого
было необходимо, во-первых, обеспечить защиту фуллеренового покрытия от воздействия на него молекулярного йода, а во-вторых, реализовать систему оперативного восполнения концентрации молекулярного кислорода в фуллереновом покрытии при непрерывном процессе его фотодесорбции в основном и возбужденном состояниях при облучении фуллеренового покрытия светом оптической накачки.
В данной работе на основе проведенных исследований реализована конструкция генератора синглетного кислорода, в которой осуществлено отделение друг от друга генератора синглетного кислорода и лазерной камеры, в которой присутствие йода в активной среде лазера принципиально необходимо. Такое конструктивное решение, как известно, уже существует, надежно апробировано в различных модификациях и эффективно работает в условиях химического кислород-йодного лазера [30—34].
Исходным приближением к подобной схеме генератора синглетного кислорода на базе фулле-ренсодержащих пористых сред можно считать конструкцию, представленную в работе [35]. В этой схеме наработанный синглетный кислород вместе с остаточным невозбужденным молекулярным кислородом может подаваться в лазерную камеру так же, как и в химическом кислород-йодном лазере.
Для восполнения запаса кислорода в структуре фуллеренового покрытия в этой схеме [35] через пористую структуру подложки осуществляется непрерывная подача кислорода на облучаемую фуллереновую поверхность. Для реализации необходимых параметров потока кислорода (по скорости и давлению) выбран соответствующий образец пористого материала. Решающими факторами при выборе керсила, который используется в качестве подложки для нанесения покрытий, были, во-первых, чистота материала — отсутствие в его структуре веществ, которые могут быть эффективными тушителями синглетного кислорода; а во-вторых, подходящий уровень пористости структуры керсила, который можно варьировать при изготовлении образца. Керсил — это кварцевая керамика, получаемая путем спекания кварцевого порошка. Оптическая накачка фуллерено-вого покрытия осуществляется светодиодной матрицей, выполненной на основе синих свето-диодов (X = 466 нм с шириной полосы излучения 24 нм). Плотность облучения на поверхности фуллеренового покрытия, общая площадь которого 170 см2, составила 150 мВт/см2.
Несмотря на предварительный характер исследований, результаты которых представлены в [35], выполненная авторами оценка эффективности выхода синглетного кислорода с единицы поверхности фуллеренового покрытия за одну се-
кунду дает примерно 6 х 1015 молекул. Общий выход кислорода из мембраны — 5 х 1016 см-2 с-1. Содержание синглетного кислорода в потоке — 12%, в то время как для работы кислород-йодного лазера требуется не менее 15% [3—6]. Мощность сигнала люминесценции со всей площади мембраны — 1 Вт. Следовательно, световой или физический КПД составляет 3.5%. Квантовый выход — 10%.
Представленные в [35] результаты пока не соответствуют необходимым требованиям для кислород-йодного лазера. Но, как уже было отмечено выше, их следует рассматривать лишь как исходные, которые в процессе дальнейших исследований, выполненных в рамках данной работы, удалось заметно улучшить. Описание и анализ результатов этих исследований приведены в данном сообщении.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Используемые в работе методы можно условно разделить на три составные части: а) методы, используемые при разработке технологий изготовления фуллеренсодержащих пористых композитных сред; б) методы их испытаний на соответствие необходимым требованиям по наработке синглетного кислорода; в) методы, используемые при анализе результатов испытаний всего устройства генератора синглетного кислорода в целом.
При разработке технологий изготовления фул-леренсодержащих пористых композитных сред было необходимо, чтобы выбранные пористые материалы обладали одновременно и необходимой газовой проницаемостью, и оптимальным сцеплением с фуллереновым покрытием. Эти параметры определяются как самим материалом и природой его межмолекулярного взаимодействия с фуллереном, так и характером пористости поверхности и возможной диффузией фуллерена, в том числе и под действием электрического поля (электродиффузией) в объем материала подложки. Адгезия, определяющая надежность сцепления поверхности пористого композитного материала с нанесенным на эту поверхность фуллере-новым покрытием, как известно, представляет собой весьма сложное явление, которое применительно к фуллерену еще крайне мало изучено. Поэтому возможным вариантом обеспечения надежного сцепления фуллерена с подложкой остается использование промежуточных склеивающих веществ. Необходимым условием при этом является сохранение газопроницаемости этой системы, а также открытой поверхности фуллерена, необходимой для эффективного выхода наработанного синглетного кислорода в газовую фазу с последующей транспортировкой его в лазерную камеру.
При практической разработке технологии изготовления пористых фуллеренсодержащих композитных сред на данном этапе работы в качестве основных пористых материалов были выбраны: микроканальные стеклянные структуры, фильтры Шотта, керсиловые пластины и диски из искусственного белого электрокорунда. Решающим фактором при выборе стеклянных структур и кер-сила были, во-первых, чистота материала, а во-вторых, подходящий уровень пористости этих структур. Выбор электрокорунда обусловлен его доступностью и низкой стоимостью, а необходимая степень его чистоты достигалась использованием специальных методов очистки (промывка растворителями и сушка в вакуумной камере).
При нанесении фуллереновых покрытий применялись методы химического осаждения фулле-рена на пористую структуру подложки из раствора фуллерена в толуоле с последующей вакуумной сушкой. Нанесение фуллеренового покрытия на керсиловую подложку осуществлялось с приме -нением механизма электрофореза. Достаточно удачным методом нанесения фуллереновых покрытий оказался метод с применением склеивающего материала на базе слабого раствора полистирола в толуоле, который обеспечивает надежное сцепле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.