Исследование систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров
(3)
где Nп – плотность электронов в пучке, Z – атомный номер элементов, ε – энергия электронов в пучке, I – энергия связи электронов в атоме, сп – скорость электронов в пучке, τ – длительность импульса. При использовании релятивистского электронного пучка с энергией ~ 1 Мэв, плотностью тока j ~ 104а/см2 и длительностью импульса ~ 10-8 сек, плотность энергии накачки ~ 0,1дж/см3 достигается при давлении криптона ~ 1 атм. Источники пучков с указанными параметрами довольно широко распространены и их создание, по-видимому, не является сложной технической проблемой.
В случае, если активная среда заполнена в основном инертным газом, с большим порядковым номером Z, то поджавляющая часть энергии, теряемой пучком в газе, будет расходоваться на ионизацию атомов. В результате в газе образуется значительное количество свободных электронов, рекомбинация которых приводит к образованию возбужденныхз атомов и молекул. Ориентируясь на приведенные выше параметры активной среды, мы можем проанализировать следующую последовательность элементарных процессов, происходящих в таком слабоионизованном газе:
ê + R → ê + R+ + e, (4)
R+ +2 R →R+2 + R, (5)
R+2 +e →R + R*, (6)
R+ +2e →R + e, (7)
R+ +X2 →RX* +X, (8)
R* +X2 →R +2X, (9)
RX* → R +X +ћω, (9')
R* +2 R →R*2 + R, (10)
ћω + RX* → R +X +2ћω, (11)
где R, X – атом инертного газа и галогена соответственно, звездочка отвечает электронно-возбужденному состоянию, ê – быстрый электрон пучка, е – тепловой электрон.
Как видно из механизма возбуждения лазера, важными стадиями в последовательности процессов, приводящих к созданию инверсной заселенности, являются процессы конверсии ионов (5) и диссоциативной рекомбинации (6). Эти процессы отвечают основным каналам преобразования энергии электрического поля в энергию возбужденных атомов и молекул только в специфических условиях, когда давление газов и энергия первичных электронов в газе достаточно овысоки. При малых давлениях, с одной стороны, процесс конверсии (5) весьма медленный, так что на процесс диссоциативной рекомбинации (6) накладываются процессы рекомбинации через другие механизмы, при которых образуются атомы не в одном, а во многих электронно-возбужденных состояниях. Такой режим не благопричтен для создания инверсионной заселенности. С другой стороны, при малых значениях энергии электронов доля энергии, расходуемой на ионизацию, уменьшается, что также снижает селективность механизма образования возбужденных атомов. В самом деле, если энергия налетающего электрона порядка связи электрона в атоме, то при неупругом соударении электрона с атомом с примерно равными вероятностями могут образовываться атомы в различных возбужденных состояниях.
Для восстановления полной картины элементарных процессов, протекающих в активной среде эксимерных лазеров, необходимо иметь детальную информацию о процессах преобразования энергии возбужденных атомов, образующихся в результате диссоциативной рекомбинации, в энергию возбужденных эксимерных молекул. Между тем, информация такого рода не настольеко полна и надежна, чтобы делать уверенные выводы о каналах преобразования энергии и, следовательно, оптимальных условиях ее использования.
Несмотря на неполный характер имеющейся в моем распоряжении информации, я могу оценить оптимальные парамертры эксимерных лазеров, возбуждаемых электронным пучком. Рассмотрю лазеры на димерных молекулах Ar2, Kr2, Xe2, которые имеют сходные механизмы создания инверсной заселенности, а также близкие значения констант процессов, определяющих кинетику возбуждения. В лазерах этого типа эксимерные молекулы образуются в результате протекания реакции:
R* +2 R →R*2 + R. (12)
С учетом пленения излучения радиационное время жизни резонансно возбужденных атомов инертных газов R* достаточно велико (“10-6сек), поэтому реакция (12)
является практически единственным каналом преобразования энергии возбужденных атомов уже при плотности энертного газа N > 1019см-3.
1.2. Возбуждение зксимерного лазера разрядом
Механизм электроразрядного возбуждения зксимерных лазеров в существенной степени отличается от механизма возбуждения лазеров электронным пучком.Основная отличительная особенность связана со способом образования метастабильных атомов инертного газа.Типичное соотношение компонент в активной среде рассматриваемого класса лазеров имеет вид Не(Ne):R:X2
10:1:0,1,однако доля буферного газа может быть значительно выше. Сумарное давление смеси состовляет обычно около 1атм., но в отдельных работах в результате давления буферного газа используется существенно более высокое давление.
В результате неупругих электрон-атомных соударений в разряде образуется значительное количество возбужденных атомов инертного газа:
e+R
R*(
,1P1)+e (13)
Столкновение таких атомов с электронами, сопровождающиеся спиновым обменом между налетающим и валентным электроном, приводят к образованию метастобильных атомов:
R*(,1P1)+еR*(3P2,3P0)+е (14)
Концентрация которых оказывается, таким образам, близкой к конценрации резонансно-возбужденных атомов.
Характерное значение константы спинового обмена составляет 10-6см3/сек. Поэтому указанный процесс(14) может происходить за времена, меньшие или порядка характерной деятельности лазерного излучения~10-9-10-8сек в случае,если плотность элелтронов Ne удовлетворяет соотношению:
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8