Потужні молекулярні лазери і їх застосування

Міністерство  освіти і науки України

Рівненський державний гуманітарний університет

Кафедра фізики 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсова робота на тему: 

Потужні молекулярні лазери і їх застосування 
 
 

      Виконав:

      студент 5-го курсу

      фізико-технологічного

      факультету 

групи ФІ-51

Литвинчук Ігор Васильович

      Науковий  керівник:

      Нікітчук  Віктор Іванович 
 
 
 
 
 
 

Рівне-2008 

    ЗМІСТ

    Вступ

    Основні принципи роботи лазерів………………………………….….….....5

    Чому  ефективні молекулярні лазери ……….................................................13

    СО₂-лазери …………………………………………………………….…….16

    Газорозрядні  СО₂-лазери……………………………………………….…...21

    Імпульсні лазери СО₂-лазери.………………………………………............29

    Газодинамічні  лазери…………………………………………………….. ..28

    Хімічні лазери………………………………………………………………..42

    СО-лазери…………………………………………………………………….49

    Застосування молекулярних лазерів……………………………………..…52

    Висновок

    Література 

       Вступ

       Ми  є сучасниками науково-технічної  революції, в ході якої наукові досягнення бурхливо вторгаються у виробничу  практику. Потреби останньою, у свою чергу, активно впливають на науку, сприяючи взаємопроникненню її напрямів, що вже склалися, і викликаючи появу нових. До одного з таких напрямів, що займає видне місце в науці останніх років, слід віднести квантову електроніку. Найбільш яскравим і важливим її досягненням стало створення лазерів.

       Появу лазерів можна поставити в  один ряд з такими видатними подіями, як відкриття Г. Герцем електромагнітних хвиль і винахід А. С. Поповим  радіо.

       Лазерами  є джерела світла нового типу. Енергія  світлових хвиль, які вони випромінюють, концентрується в просторі у вигляді дуже вузького променя (висока спрямованість лазерного променя) і зосереджена в дуже малому інтервалі довжин хвиль (висока монохроматичність лазерного випромінювання). Ця енергія може випромінюватися безперервно або у вигляді коротких імпульсів, тривалість яких може складати від декількох мілісекунд до рекордно коротких величин 10^-12 с. Специфічні якості світлового випромінювання лазерів зробили вплив, що революціонізував, на оптику, відкрили шляхи для проникнення оптичних методів в різні області фізики, хімії, радіотехніку, електроніку, енергетику, геологію, метеорологію, будівництво, медицину і так далі.

       Закони  оптики для традиційних джерел світла свідчили, що світлова енергія не може бути сконцентрована у вигляді слабкого променя, що розходиться, або сфокусована на майданчик з розмірами, меншими, ніж розміри зображення джерела світла. Звідси слідував вивід, заснований на найзагальніших законах фізики: при фокусуванні світлового випромінювання неможливо нагрівати тіло до температури, що перевищує температуру джерела світла. Причиною є той факт, що різні точки цих джерел випромінюють світло незалежно один від одного (або, як кажучи, некогерентний в просторі) в широкому діапазоні довжин хвиль (некогерентний в часі). Якби було поставлено завдання створити традиційне джерело світла, яке випромінювало б однакову потужність з лазером середніх параметрів в тому ж інтервалі довжин хвиль, що і лазер, то довелося б використовувати випромінювання тіл, нагрітих до температур, що перевищують десятки мільйонів градусів.

        У об'ємі лазера різні крапки випромінюють світло погоджено один з одним, даючи тим самим можливість передавати випромінювання у вигляді вузьких направлених променів. Найважливіші властивості лазерного світла — його гранично висока монохроматичність, просторова спрямованість, величезна спектральна яскравість — визначають істотну роль лазерів в науково-технічній революції.

       В даний час лазери працюють в надзвичайно  широкому діапазоні — від ультрафіолетового до далекого інфрачервоного навіть субміліметрового випромінювання. Активним середовищем лазерів є кристали і стекла, неорганічні рідини і молекулярні гази, пари металів і напівпровідники. Для збудження лазерів застосовується широкий арсенал засобів — могутні електронні пучки і розряди в газах, світло імпульсних ламп, хімічні реакції і фотодиссоціація, нагріваючи і швидке охолоджування в надзвукових потоках газу.

       Найважливіша  мета робіт із створення і вдосконалення  лазерів — дістати можливість концентрувати енергію випромінювання в просторі, в часі, в малому інтервалі частоти. Але, виграючи як випромінювання, ми неминуче втрачаємо в його кількості. Коефіцієнт корисної дії (ККД) більшості типів лазерів дуже малий, а отже, невелика і їх середня потужність. Абсолютно особливе місце серед всього різноманіття лазерів, що існують зараз, займають молекулярні лазери, що працюють в інфрачервоному діапазоні. Кажучи коротко, ці лазери володіють високим ККД при великій потужності і енергії випромінювання. Світлове випромінювання в них отримують за рахунок енергії коливань ряду молекул в газовій фазі. Сюди перш за все відноситься лазер на молекулах вуглекислого газу, СО₂-лазер. Цей унікальний лазер відрізняється рекордними енергетичними показниками і високим ККД. У безперервному режимі вже отримана потужність його випромінювання до декількох десятків кіловат, імпульсна потужність досягає рівня в декілька мільйонів кіловат, енергія одного імпульсу вимірюється кілоджоулями, а ККД доходить до 30% і перевершує ККД всіх існуючих лазерів, що працюють при кімнатній температурі. Крім того, в сімейство могутніх молекулярних лазерів входять лазери на окислі вуглецю і ряду молекул галогеноводородов.

       Як  працюють ці лазери? Як вони влаштовані і які досягнення різних областей науки і нової техніки використовуються при їх створенні? Які можливості їх застосування?

Основні принципи роботи лазерів

       Звернемося  спочатку до тих фундаментальних  фізичних явищ, які лежать в основі дії всіх лазерів.

       Згідно  законам квантової механіки енергія  відносного руху будь-якої зв'язаної системи мікрочасток не може бути довільною. Вона може приймати лише певний ряд значень Е₀, Е₁, ..., Е_n, які називаються рівнями енергії. Весь набір допустимих значень енергій називають енергетичним спектром мікросистеми. Якщо є група однакових мікрочасток, і серед них знаходиться N₀ частинок з енергією Е₀, N₁ частинок з енергією Е₁ і т. д., то числа N₀, N₁, ..., N_n називають населенностями рівнів енергії. Стан кожної частинки може змінюватися при взаємодії з іншими частинками або з електромагнітним полем. При переходах з високих рівнів енергії на нижні частинки можуть випромінювати електромагнітні хвилі, частота яких визначається співвідношенням

                                                                                                                       (1)  

       Тут эрг·с— постійна Планка. При переходах на вищі рівні частинки можуть поглинати електромагнітні хвилі такої ж частоти, що приходять ззовні.

       З погляду квантової теорії світлом (і електромагнітні хвилі будь-якої частоти) є потік окремих порцій енергії — квантів, або фотонів, величина енергії яких рівна . Тому рівність (1) виражає закон збереження енергії при взаємодії фотонів з мікрочастками — енергія фотона, що випромінює або поглиненого, рівна зміні енергії частинки. Переходи між станами мікрочасток відбуваються тільки при взаємодії з фотонами резонансної частоти v_nm, коли .

       У 1917 р. А. Ейнштейн створив квантову теорію взаємодії світла з речовиною. Ця теорія є одним з видатних досягнень науки нашого століття, але повною мірою оцінити її значення почало можливо лише після створення мазерів, а потім і лазерів. Передбачене цією теорією явище індукованого випромінювання складає фізичну основу всієї квантової електроніки.

       Згідно  Ейнштейнові, процес взаємодії електромагнітних хвиль з речовиною складається з трьох елементарних актів — поглинання фотона і його спонтанного або індукованого випромінювання. Якщо мікрочастка знаходиться у збудженому стані, тобто її енергія перевищує мінімальну допустиму величину Е_0, то такий стан не може зберігатися необмежено довго. Навіть якщо частинку повністю ізолювати від зовнішніх дій, через деякий час вона перейде в стан з меншою енергією, випустивши квант електромагнітного випромінювання. Такий перехід називається спонтанним (мимовільним) випромінюванням. Окремі акти спонтанного випромінювання  різними  частинками відбуваються випадково, момент випромінювання кванта кожною частинкою, напрям його руху і поляризація ніяк не пов'язані з попередніми і подальшими актами випускання квантів іншими такими ж частинками. Спонтанне випромінювання носить шумоподібний характер. Всі традиційні джерела світла, такі, як нагріті тіла, плазма    газових розрядів і т. п., дають спонтанно випромінюване світло. Така ж природа шумів радіоапаратури і теплового інфрачервоного випромінювання.

       Абсолютно інакше відбувається процес індукованого випромінювання. Якщо збуджена частинка знаходиться під впливом зовнішніх  електромагнітних хвиль резонансної  частоти, то вона може перейти в стан з меншою енергією, випустивши квант, невідмітний від тих, що приходять ззовні, тобто що має таку ж частоту, поляризацію і напрям розповсюдження. Вірогідність випускання індукованого випромінювання пропорційна числу квантів, тобто інтенсивності зовнішнього випромінювання. Фаза електромагнітних хвиль, що виникають при індукованих переходах, строго узгоджена з фазою зовнішніх хвиль. Потік випромінювання відрізняється від первинного тільки збільшеною інтенсивністю.

       Проте в будь-якій сукупності частинок, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги або поблизу, його, населеності вищих рівнів енергії менше, ніж розташованих нижче. Тому процеси поглинання квантів відбуваються частіше, ніж індуковане випромінювання. Як наслідок цього електромагнітні хвилі резонансної частоти, що взаємодіють з такими частинками, втрачають свою енергію, затухають. Для того, щоб індуковане випромінювання переважало над поглинанням, необхідно вивести частинки із стану термодинамічної рівноваги, за рахунок зовнішнього джерела енергії створити населеність одного із збуджених станів, вищу, ніж населеність хоч би одного із станів з меншою енергією. Говорять, що треба створити інверсну населеність в системі мікрочасток. Тоді середовище, що складається з таких частинок, стає активним, здатним підсилювати хвилі резонансної частоти.

       З радіофізики добре відомо, що якщо є підсилювач коливань, то за наявності  достатньо глибокого зворотнього зв'язку такий підсилювач здатний генерувати коливання. Як елемент, що забезпечує позитивний зворотний зв'язок, в оптичному, інфрачервоному і субміліметровому діапазонах використовується так званий відкритий резонатор — система з двох паралельних або злегка викривлених дзеркал, що відображають. У разі паралельних плоских дзеркал це — добре відомий в оптиці інтерферометр Фаб-ри-Перо, вперше запропонований А. М. Прохоровим для отримання позитивного зворотнього зв'язку в квантових генераторах.

       Таким чином, в будь-якому лазері-генераторі використовується явище індукованого випромінювання середовища, отриманої в змозі з інверсною населеністю рівнів за рахунок роботи стороннього джерела енергії і поміщеною у відкритий резонатор. Створення лазерів стало можливим лише в результаті синтезу ідей квантової теорії взаємодії світла з речовиною і радіофізики.

       Подивимося  тепер, як повинен бути стан активного  середовища, щоб на її основі можна  було побудувати могутній лазер з  високим ККД.

       Як  вже сказано, перш за все необхідно  повідомити мікрочасткам енергію зовнішнього  джерела, достатню для досягнення стану  з інверсною населеністю рівнів. Проте при протіканні більшості процесів  збудження  енергія  передається  великому числу рівнів. В цьому випадку досягнення інверсної населеності можливе при виконанні певних умов. Наприклад, через особливості будови конкретного виду мікрочасток передача енергії з боку зовнішнього джерела якомусь рівню може бути ускладнена. Такий випадок можливий при поглинанні світла слабким переходом. Тоді протягом деякого проміжку часу після початку збудження населеності ряду вищих рівнів, що сильніше поглинають енергію, можуть перевищувати населеності рівнів, розташованих нижче. Далі, завжди існують процеси, прагнучі повернути частинку в початковий незбуджений стан. Залежно від конкретних умов ці процеси відбуваються з різною швидкістю для різних рівнів енергії. Коли енергія передається приблизно в рівній мірі великому числу рівнів, ті з них, які довше зберігають збуджений стан, виявляються населеними більше. Але як в першому, так і в другому випадку ті рівні енергії, між якими виникає інверсія    населенностей, складають малу частину серед всіх збуджених рівнів. Як наслідок цього, енергія, що підводиться, лише в незначному ступені витрачається на створення і підтримку інверсії. Тому першою умовою створення лазера з високим ККД є використання тих, порівняно процесів, що рідко зустрічаються, які відбуваються з селективним збудженням невеликої групи енергетичних рівнів.

       У всіх випадках, коли досягається інверсія населенностей, енергія, витрачена на збудження верхнього рівня робочого переходу однієї мікрочастки, завжди більше, ніж квант випромінювання. Величина відношення кванта до енергії збудження є принциповою межею ККД будь-якого лазера і називається квантовим виходом процесу збудження. Другою найважливішою умовою високого ККД служить велика величина квантового виходу. Тим, що селективні процеси збудження з високим квантовим виходом дуже рідкісні, пояснюється, чому ККД переважної більшості існуючих лазерів дуже низький. Малий ККД складає плату за високу якість когерентного випромінювання.

       Можливість досягнення високого ККД є найважливішою, але ще не достатньою умовою отримання великої потужності випромінювання. Внаслідок того, що; квантовий вихід завжди менший 100%, частина енергії, що підводиться, навіть при селективному збудженні залишається в активному середовищі, спочатку у вигляді енергії нижнього рівня робочого переходу. Якщо не відводити енергію з цього рівня з достатньою швидкістю, то із-за індукованих переходів з верхнього рівня населеність його зросте, а тоді зменшиться потужність випромінювання. Щоб цього не трапилося, в середовищі повинні відбуватися такі процеси, які приводили б до можливо меншої тривалості існування частинок на нижньому робочому рівні. Тоді частина енергії збудження, що марно втрачається, переходитиме в теплову форму в активній або в навколишньому середовищі. Підвищення температури активного середовища завжди приводить зрештою до такої зміни середовища, що робота лазера стає неможливою. Допустима величина підвищення температури залежить від конкретних властивостей активного середовища. При достатньо малому часі життя нижнього рівня швидкість відведення теплової енергії визначає досяжну потужність випромінювання в безперервному режимі роботи; у імпульсному режимі допустиме підвищення температури обмежує енергію імпульсу випромінювання.

       Так, щоб побудувати могутній лазер, необхідно  використовувати робочий процес з високим ККД, а активне середовище повинне допускати швидке видалення  невикористаної енергії. Обидва ці обмеження, разом узяті, настільки серйозні, що ще кілька років тому можливість створення могутніх ефективних лазерів була під сумнівом, а для подолання виникаючих труднощів доводиться застосовувати весь арсенал передової науки і нової техніки.

       Подивимося  тепер, які основні типи лазерів  існують в даний час.

       Історично першим був створений лазер на кристалах синтетичного рубіна. У цьому лазері збудження іонів хрому, які входять до складу рубіна, відбувається при поглинанні ними світла від імпульсної лампи-спалаху в синій і зеленою областях спектру. Час життя іонів в цих станах дуже малий, вони швидко віддають частину енергії кристалічній решітці і переходять в нижній збуджений стан, який є метастабільним. Якщо енергія спалаху настільки велика, що більше половини іонів опиняється в цьому стані, то між метастабільним і основним рівнями виникає інверсія, що супроводжується посиленням в червоній області спектру на довжині хвилі 0,68 мкм. Звичайне посилення виникає через 100—300 мкс після початку спалаху і зберігається протягом 1 мс до моменту її закінчення. За цей час великі кристали випромінюють до 1000 Дж світлової енергії. Потужність випромінювання досягає 1 млн. Вт.

       Подібним чином працює велика кількість твердотільних лазерів на кристалах і склах з домішкою рідкоземельних іонів. Відмінність полягає тільки в тому, що інверсія в них виникає між метастабільним рівнем і одним з низьколежащих збуджених підрівнів основного стану. Ці підрівні не заселені термічно, і інверсія населеності досягається легшим, ніж в рубіні. Лазери на основі силікатних стекол з домішкою неодима з довжиною хвилі випромінювання 1,06 мкм дозволяють отримувати тисячі джоулів в імпульсі. Лазер на кристалах іттрій-алюмінієвого граната може працювати в безперервному режимі з потужністю в сотні ватів. Енергія імпульсу і потужність в безперервному режимі обмежені розмірами скляних стрижнів і кристалів і тепловими ефектами, які ми обговорювали вище.

       Значний інтерес представляє використання рідких активних середовищ. Зараз створені лазери на основі розчинів рідкоземельних іонів у ряді неорганічних рідин  і лазери безперервної і імпульсної дії на основі розчинів органічних барвників. Важливою гідністю останніх є можливість отримати, підбираючи різні барвники, повне перекриття всього видимого діапазону довжин хвиль з плавною перебудовою частоти в значних межах.

       В принципі рідке активне середовище може займати дуже великий об'єм з високою оптичною однорідністю. Вона може циркулювати через резонатор з подальшим охолодженням в теплообміннику. Все це дуже важливо для отримання направленого випромінювання і підвищення енергії в імпульсі і середній потужності. Проте технічні труднощі на цьому шляху поки не вдалося подолати. Рідинні лазери по багатьом параметрам поступаються твердотільним.

        Всі перераховані типи лазерів працюють за допомогою оптичного накачування, що сильно зменшує їх ККД. Спектр випромінювання імпульсних джерел дуже широкий, проте з нього використовуються лише вузькі ділянки поблизу ліній поглинання. Велика частина енергії світла не використовується, але нагріває активні елементи і всю конструкцію лазерів в цілому.

       Серед твердотільних лазерів особливе місце займають напівпровідникові. У них інверсія населенностей виникає при інжекції носіїв струму — електронів і дірок — в тонку перехідну область між напівпровідниками з електронною і дірковою провідністю (р—n-перехід). Струм підтримується за допомогою зовнішнього джерела. Існує велике число напівпровідників, які можна використовувати для виготовлення лазерів. Накачування в напівпровідникових лазерах селективне. ККД лазера на арсеніді галія досягає 30% з потужністю до 10 Вт в безперервному режимі. Проте ці лазери працюють при температурі рідкого азоту, а великий об'єм р—n-переходу створити неможливо, що не дозволяє підвищувати їх потужність.

       Найбільш  численне сімейство газових лазерів. Діапазон частот, в якому вони працюють, тягнеться від субміліметрових хвиль до вакуумного ультрафіолету (лазер на молекулах водню, λ = 1600 Ǻ). Історично першим з них і найбільш поширеним став лазер на суміші газів неону і гелію. У цьому лазері використовується збудження атомів гелію в газовому тліючому розряді при тиску в декілька мм рт. ст. Гелій в процесі непружних зіткнень передає збудження високо розташованим рівням енергії неону, серед яких розташовані робочі переходи. Найбільш відомим є перехід з довжиною хвилі 6328 Ǻ (червоний колір). Решта переходів лежить в інфрачервоній області. Найбільш могутній серед газових лазерів у видимому діапазоні — аргоновий. Він дозволяє отримувати значні потужності в безперервному режимі, до сотень ватів, на ряду ліній в синій і зеленою областях спектру. Працює лазер на високозбуджених рівнях одноразово іонізованого аргону.

        Всі відомі газові лазери видимого діапазону мають украй малий ККД. Причина полягає в неселективному характері збудження і дуже малій величині, квантового виходу.

       Декілька  особливо серед газових коштує фотодіс-соціальнний лазер. У його роботі використовується той відомий в хімічній фізиці факт, що при фотолізі — розкладанні молекул під дією світлових квантів з енергією, достатньою для розриву хімічних зв'язків, у ряді випадків утворюються атоми у збудженому стані. Найбільш ефективний лазер на молекулах CF₃I. При їх фотодиссоціації утворюються атоми йоду в збудженому метастабільному стані. Швидке розкладання цих молекул під дією могутніх спалахів світла веде до накопичення великої кількості метастабільних атомів йоду. Газоподібний характер активного середовища дозволяє створити її у великому об'ємі, але низька щільність молекул газу приводить до значної меншої, ніж в середовищі, що конденсує, енергії збудження в одиниці об'єму. Хоча смуги фотодиссоціації молекул ширше за лінії поглинання іонів в кристалах і стеклах, цей лазер володіє, в декілька меншого ступеня, недоліками твердотільних лазерів з широкосмуговим оптичним накачуванням.

       Тепер ми в стані правильного визначити  в загальному ряду місце лазерів па коливально-обертальних переходах молекул. Про їх параметри стисло вже мовилося вище. Дуже важливо, що їх активне середовище газоподібне: гази дуже трохи поглинають і розсіюють світловий промінь, а тому спрямованість випромінювання досягає принципової межі, пов'язаної з дифракцією світла. Газ можна продувати через промінь світла з великою швидкістю, вводячи все нові активні молекули в резонатор. Відлітаючі молекули відносять з собою невикористану при роботі лазера енергію. Теплова потужність, яку можна відводити таким шляхом, дуже велика. Масштабом тут є потужності промислової теплової енергетики і високошвидкісної газодинаміки. У молекулярних лазерах інфрачервоного діапазону ці загальні переваги газового середовища поєднуються з високою селективністю збудження і великим квантовим виходом. Вони можуть працювати при дуже високому тиску, що наближає їх по щільності енергії збудження до твердотільних.

       Селективність збудження і великий квантовий  вихід коливально-обертальних переходів  мають глибокі фізичні основи в самій природі молекул. Вони зрештою приводять до досягнення високого ККД — того найважливішого параметра, який у поєднанні з рештою достоїнств газового активного середовища робить молекулярні лазери особливо цінними. Розглянемо ці основи докладніше.

       Чому  ефективні молекулярні  лазери

       Зупинимося  спочатку на особливостях енергетичного  спектру атомів, щоб зрозуміти  причину неселективного характеру  збудження електронів і рису величину квантового виходу в цьому випадку.

       Енергетичні рівні електронів в атомах дуже нерівномірно розподілені в тому інтервалі енергій, в якому електрон пов'язаний з атомом, — від нижнього, основного стану до енергії іонізації. Перший збуджений рівень зазвичай відповідає енергії, близькій до половини енергії іонізації, а в другій половині розташоване дуже велике ( якщо атом ізольований, то нескінченне) число рівнів, що згущуються до іонізаційної межі. Енергія першого збудженого стану складає декілька електрон-вольт (эВ), а відповідні цьому переходу фотони доводяться на область спектру від червоного до ближнього ультрафіолетового. Будь-який фізичний процес збудження атомів, який можна здійснити в широкому масштабі без великих втрат енергії, відбувається за участю частинок, енергія яких розподілена в широкому інтервалі. Такі процеси збудження електронами в газовому розряді, оптичне збудження за допомогою некогерентного світла, теплове збудження, проникаюча радіація, потоки швидких частинок і так далі. Тому, якщо є велика кількість частинок, здатних порушувати якийсь рівень енергії атома, то існує і значна кількість таких, які порушують решту рівнів. Особливо це відноситься до високозбуджених станів, між якими може виникати інверсна населеність. З іншого боку, енергія високозбудженого стану завжди значно більше, чим різниця енергій двох близьких станів. Отже, квантовий вихід виявляється невеликим.

       Ці  ж особливості електронного спектру  характерні і для молекул. Проте  можливості руху частинок в молекулах  значно ширші. Окрім руху електронів, в молекулі можуть здійснювати коливальні рухи ядра атомів, а вся молекула як ціле може обертатися. Енергія руху електронів такого ж порядку, як і в атомах — декілька електрон-вольт. Ядра атомів значно масивніші за електрони, і швидкість їх руху значно менша. Електронна оболонка молекули встигає підстроїтися під відстані, що змінюються, між атомами, а рівні енергії електронів безперервно змінюються разом з цією відстанню. Кожен таким рівнем енергії є одне і те ж полягання електронів в молекулі, але при відстані, що змінюється, між ядрами. Рух ядер більшості   молекул поблизу положення рівноваги основного електронного стану відбувається білий зміни цього стану. Виключення з цього правила дуже рідкісні і для круга, що розглядається нами, явищі неістотні.

       Як  наслідок великої маси і рисої швидкості руху ядер, відстані між нижніми рівнями енергії коливань молекул значно менше, ніж енергія першого електронного рівня. Вони складають десяті і соті долі електрон-вольт. Розгойдування молекули відбувається значно легше, ніж збудження її електронів, тому в багатьох процесах — в електричному розряді, в хімічних реакціях, при нагріванні — існують умови, в яких молекули сильно коливаються, але електрони практично незбуджені. Енергія, що підводиться, в значній мірі переходить в енергію коливань молекул, і подальший її шлях сильно залежить від характеру їх енергетичного спектру.

       Нижні рівні енергії коливань двоатомних молекул розділені майже однаковим  інтервалом. У багатоатомних молекул  існує деяке число типів коливального руху, коли складові молекулу ядра погоджено коливаються з однаковою частотою. Частоти таких коливань і характер узгодженого руху ядер залежать від конкретних особливостей будови молекули. Нижні рівні кожного типу коливань також відокремлені майже однаковим інтервалом, відмінність же між квантами різних типів коливань, як правило, значно більше. Проте це відмінність зіставно з величиной самих квантів. Випромінювальні переходи між рівнями одного типу коливань, якщо вони можливі, відбуваються з квантовим виходом, близьким до 100%. Величина квантового виходу при переходах між рівнями різних типів коливань також виявляється великою.

       Енергія нижніх збуджених рівнів велика в  порівнянні з тепловою енергією молекул при кімнатній температурі. Перехід енергії коливань в теплову і, навпаки, збудження коливань за рахунок теплової енергії відбувається при зіткненні молекул один з одним. В умовах низької температури такі переходи спостерігаються украй рідко. Для того, щоб відбувся один такий перехід, молекули винні 104—106 разів зіткнутися з іншими молекулами. Енергія збудження зберігається унаслідок етого досить довго.

       Абсолютно іншою швидкістю характеризуються процеси, якщо частоти коливань молекул, що стикаються, недостатньо відрізняються  один від одного, або, як то кажуть, у  разі близькості їх до резонансу.

       Тут можна нагадати відомі з курсу  фізики демонстрації з камертонами, налаштованими на близькі частоти. Якщо один такий звучний камертон піднести до іншого, то через деякий час вони починають звучати разом, потім тільки один, потім знову разом і так далі Камертони обмінюються енергією коливань. Якщо швидко прибрати перший камертон в той момент, коли звучить інший, то подальшого розгойдування першого вже не відбудеться, він передасть свої коливання іншому.