WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 11 02;04;07;12 Стимулированное излучение димеров аргона при возбуждении импульсным разрядом с плазменным катодом © А.В. Елецкий1, А.Р. Сорокин2 1 Российский научный центр ”Курчатовский институт”, 123182 Москва, Россия 2 Институт физики полупроводников СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия (Поступило в Редакцию 18 декабря 1995 г. В окончательной редакции 1 июля 1996 г.) Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на получение генерации на переходах эксимерного Ar2 лазера, возбуждаемого импульсным электрическим разрядом.

Показано, что при использовании разработанного недавно разряда с плазменным катодом удается обеспечить квазистационарные условия возбуждения активной среды лазера с коэффициентом усиления на уровне 0.1 см-1. Результаты предварительных экспериментов, выполненных на модельной установке, указывают на эффект монотонного уменьшения длительности спонтанного излучения на переходе димера Ar2 с = 126 нм по мере увеличения его пиковой интенсивности, который наблюдается при увеличении интенсивности накачки. Это свидетельствует о наличии в системе эффекта стимулированного излучения.

Однако измерения указывают на отсутствие усиления в активной среде, что связано с наличием в рабочем газе неконтролируемых примесей.

Введение могательной плазмы скользящего разряда [9]. В таком разряде проникновение возмущений из катодной зоны в 1,3 область ОР затруднено, чем и обеспечивается пространИмпульсные лазеры на переходах +-1+ димеров u g ственно однородное устойчивое во времени возбуждение инертных газов [1–3] отличаются аномально высокой газа высокого давления. Работа является продолжением интенсивностью излучения в далекой ультрафиолетоработы [10], где подробно исследованы условия формивой области. Основные трудности, препятствующие ширования такого разряда.

рокому распространению лазеров этого типа в научных исследованиях и прикладных разработках, связаны с необходимостью обеспечения чрезвычайно высокого Эксперимент удельного энерговклада ( 10 Дж · см-3) в газ высокого давления (p 10 атм) за времена порядка 10 нс. Столь Конструктивные особенности организации разряда, сижесткие требования, накладываемые на пороговые услостема его питания и режимы работы подробно изложены вия возбуждения лазера, обусловлены малым значением в [10]. Многосекционный скользящий разряд для всподлины волны лазерного излучения и большой шириной могательной катодной плазмы формировался в системе линии спонтанного излучения рабочих переходов.

из трех блоков (рис. 1), каждый из которых состоял из До сих пор столь высокие значения интенсивности двух секций длиной по 60 мм. Анодные пластины для ОР накачки достигались главным образом в результате исиз никеля толщиной 2 мм, высотой 10 мм и с активной пользования мощных электронных пучков [1,4], что длиной 35 мм каждая размещались в 6 мм от блоков весьма усложняет лазерную установку и вряд ли поскользящего разряда. Общая активная длина ОР 210 мм.

зволяет рассчитывать на широкое использование подобБлоки с анодными пластинами помещались в камеру из ных систем. В связи с этим значительную актуальность оргстекла, рассчитанную на давление 10 атм. Камера приобретает проблема разработки и создания димерных совместно с системой подачи газа обезгаживалась в лазеров, возбуждаемых импульсным электрическим развакууме 10-4 Тор при T = 80C.

рядом. Трудности, возникающие на пути решения этой Импульсы напряжения подавались на одноканальный проблемы, связаны с неустойчивым характером протекаскользящий разряд и ОР по схеме, указанной на рис. 1.

ния традиционно используемого импульсного разряда с Для скользящего разряда питание поступало от одного указанными выше параметрами [5–7].

генератора (12 нФ, U 25 кВ) с помощью коаксиальных В данной работе демонстрируется возможность ис- кабелей (75 Ом) по одному на секцию, параллельно копользования для преодоления этой трудности разрабо- торым подключались обостряющие емкости 470 пФ. Для танного в [8] мощного источника безискрового разря- обеспечения электрической развязки между разрядами в да со стабилизированным катодным пятном. При этом отдельных блоках и для синхронизации их срабатывания катодное пятно вынесено из области, где происходит последовательно с кабелями включались индуктивности.

основной разряд (ОР), а замыкание разряда на пятно Такая система обеспечивала одновременность зажигания осуществляется по узкому протяженному каналу вспо- скользящего разряда с точностью 5нс. Характерная 4 50 А.В. Елецкий, А.Р. Сорокин фотоприемника поступал на импульсный вольтметр и, пройдя статистическую обработку, на самописец. Спектральное разрешение измерительной системы составляло несколько. Коэффициент усиления (поглощения) активной среды оценивался на основании результатов измерения зависимости интенсивности спонтанного излучения (126 нм) в продольном направлении от длины разряда (включались одна или две секции ОР). Эти оценки показывают, что в широком диапазоне изменения условий возбуждения (давление и скорость прокачки газа, интенсивность накачки) среда оставалась поглощающей. При этом минимальная величина коэффициента поглощения изменялась в диапазоне = 0.1-0.04 см-в зависимости от чистоты исходного газа. Это указывает на высокую чувствительность результатов измерений к степени очистки рабочего газа.

Измеренные зависимости пиковой интенсивности P и длительности спонтанного излучения от суммарного тока I пяти секций ОР приведены на рис. 3. При небольших давлениях сначала наблюдался линейный рост P с увеличением I, затем рост P замедлялся: например, для p = 3атм при I 7кА, а при I > 10 кА достигалось насыщение. Для дальнейшего увеличения P было Рис. 1. Разрядный промежуток с двухсекционным анонеобходимо повышать давление газа. Так, повышение дом (1, 2) и блоком (3) скользящего разряда.

p с 3 до 6 атм приводило к увеличению P в 1.7 раз.

Для условий рис. 3 режим насыщения не достигается.

Снижение длительности спонтанного излучения с увеличением его интенсивности указывает на заметный вклад стимулированного излучения.

На рис. 4 показаны спектры спонтанного излучения димеров Ar2. В отсутствии прокачки газа через камеру (кривая 1) спектр весьма изрезан и заметно отличается от традиционно приводимого в литературе. Это указывает на наличие в газе примесей, источником которых, по-видимому, является газовыделение из электродов в результате протекания разряда. Прокачка газа со скороРис. 2. Осциллограмма напряжения и тока для одной секции стью 1 г/мин при частоте следования импульсов разряосновного разряда в аргоне (10 атм).

да f = 0.5 Гц заметно сглаживает форму спектральной линии (кривая 2). Кривая 3, полученная при f = 0.18 Гц и той же скорости прокачки, уже слабо отличается от длительность разряда 2 мкс при токе на одну секцию кривой 2. Дальнейшее снижение значения f также 100 A.

Для ОР импульс напряжения (рис. 2) поступал на анодные пластины также от одного генератора (2.5 нФ, U 100 кВ) с помощью отрезков коаксиального кабеля (20 Ом, 300 пФ/м) длиной по 70 см, число которых можно было менять. ОР включался в конце импульса скользящего разряда.

Система питания в целом обеспечивала одновременное зажигание ОР во всех секциях с точностью 1нс.

Для типичных условий получается энерговклад на уровне 10 Дж · см-3 при мощности 5 · 108 Вт · см-3. При необходимости эти параметры могут быть значительно увеличены [10].

Спонтанное излучение разряда через окно из MgFпопадало на сканируемый вакуумный монохроматор и Рис. 3. Изменение P и на рабочих переходах Ar2 от I.

далее на фотоприемник. Для записи спектра сигнал с Давление аргов 8 атм.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Стимулированное излучение димеров аргона при возбуждении импульсным разрядом... Обсуждение результатов Оценим величину коэффициента усиления активной среды Ar2 лазера с электроразрядной накачкой, используя стандартную модель образования эксимерных молекул [1–4]. Согласно этой модели, молекулы Ar2 в 1,состояниях + образуются в результате следующей u последовательности процессов:

Ar + e = Ar+ + 2e, (1) Ar+ + 2Ar = Ar+ + Ar, (2) Ar+ + e = Ar(3P2) +Ar, (3) Ar(3P2) +Ar = Ar2(1,3+) +Ar, (4) u Ar2(1,3+) =2Ar +. (5) u Легко убедиться в том, что в условиях рассматриваемого эксперимента характерные времена проРис. 4. Спектральные контуры излучения (интегральные цессов (2)–(5) много меньше типичной длительнопо времени) молекул Ar2. Отмечены провалы в контуре, сти импульса электроразрядного возбуждения (20 нс).

вызванные поглощением атомами Kr и H. Разряд в аргоне при 10 атм. Содержание примесей в исходном газе 70 · 10-6 В самом деле, характерное время конверсии атом(паспортные данные).

ных ионов в молекулярные (2) составляет величину 2 (N2kc)-1 5 · 10-11 c, где kc 2 · 10-31 см6/с — константа скорости процесса (2) при комнатной температуре [12], N 3 · 1020 см-3 — плотность атомов аргона.

Характерное время процесса диссоциативной рекомбинации (3), оцениваемое выражением 3 (r · Ne)-1, зависит от величины плотности электронов Ne. Характерное значение этого параметра может быть выражено через удельный энерговклад W = JE, J — плотность тока, E — напряженность электрического поля W Ne = 1016 см-3, (6) eEw где W 109 Вт · см-3, E 105 В · см-1, w 3.5 · 106 см/с — дрейфовая скорость электронов в Рис. 5. Контур излучения Kr2. Разряд в криптоне при 6 атм.

аргоне при E/N 40 Td [13].

Содержание примесей 60 · 10-6.

Используя для значения коэффициента диссоциативной рекомбинации электронов в аргоне при рассматриваемых условиях значение r 5 · 10-8 см3/c [13], не приводило к изменению величины сигнала и формы получаем оценку 3 2 · 10-9 с. Такого же полинии излучения. Можно сделать вывод, что вид спектра рядка оказывается характерное время процесса (4), излучения Ar2 определяется исходной чистотой газа. для оценки которого можно воспользоваться значением К аналогичным выводам приводит также анализ спек- k4 10-32 см6/с [14,15].

тра излучения на переходе Kr2 (146 нм), представленный На основании результатов выполненных выше оценок на рис. 5. Как видно, поглощение излучения примесью можно заключить, что за время импульса возбуждения в ксенона приводит к появлению в спектре излучения активной среде лазера успевают установиться квазистаглубокого провала. Измеренное значение коэффициента ционарные условия. В соответствии с этими условиями поглощения в этом случае составляет = 0.19 см-1. квазистационарное значение концентрации заряженных Влияние неконтролируемой примеси Xe2 на условия частиц определяется балансом между процессами иониполучения генерации Kr2 лазера отмечается также авто- зации атомов электронным ударом (1) и диссоциативной рами работы [11], где использовалась накачка электрон- рекомбинации электронов и молекулярных ионов (2), ным пучком. Для получения генерации в этом случае а квазистационарное значение концентрации димеров необходимо использовать газы с примесью 1 · 10-6. В Ar2 устанавливается в результате баланса процессов наших опытах (рис. 4, 5) использовался газ с содержани- (4) и (5). При этом, поскольку характерное время ем примесей на два порядка более высоким. процесса (2) является максимальным по отношению к 4 Журнал технической физики, 1997, том 67, № 52 А.В. Елецкий, А.Р. Сорокин характерным временам других процессов, определяю- настоящее время с учетом результатов данной работы щих механизм образования димеров, легко показать, что готовится продолжение описанных выше экспериментов квазистационарное значение концентрации димеров Nd0 с использованием более тщательной подготовки элекв рассматриваемых условиях может быть выражено в троразрядной камеры и системы повышенной очистки следующем виде: аргона от примесей.

2 Работа поддержана Российским фондом фундаменNd0 = rNe d, (7) тальных исследований (проект № 95-02-05338a).

где 2 3.2 нс — время спонтанного излучения димерной молекулы в триплетном состоянии (при расСписок литературы сматриваемых значениях плотности электронов синглеттриплетное перемешивание под действием электронного [1] Kochler H.A., Ferderber L.J., Redhead D.L., Ebert P.J. // удара происходит за доли нс, поэтому основной мехаAppl. Phys. Lett. 1972. Vol. 21. N 5. P. 198–200.

низм разрушения димера связан со спонтанным излуче- [2] Мак Каскер М.В. // Эксимерные лазеры. М.: Мир, 1981.

С. 70–103.

нием с триплетного состояния).

[3] Елецкий А.В. // УФН. 1978. Т. 125. № 2. С. 279–314.

Пользуясь соотношением (7), получаем следующее [4] Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Физические процессы в выражение для оценки коэффициента усиления активной газовых лазерах. М.: Энергоатомиздат, 1985. 241 с.

среды в рассматриваемых условиях:

[5] Sakurai T., Goto N., Webb C.E. // Appl. Phys. 1987. Vol. 20.

N 6. P. 709–713.

2Nd0 2rNe g = =, (8) [6] Басов Н.Г., Данилычев В.А., Долгих В.А. и др. // Квантовая 4d электрон. 1975. Т. 2. № 1. С. 28–36.

[7] Данилычев В.А., Керимов О.М., Ковш И.Б. // Тр. ФИАН.

где = 126 нм — длина волны излучения димера, 1976. Т. 85. С. 49–142.

1015 с-1 [1] — ширина линии спонтанного излу[8] Сорокин А.Р. // Письма в ЖТФ. 1985. Т. 11. Вып. 22.

чения.

С. 1378–1382.

Оценка на основании соотношения (8) с учетом ука[9] Сорокин А.Р. // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13. Вып. 2. С. 94– занного выше значения Ne дает g 0.1см-1. При 98.

этом в рамках данной модели результат оценки не [10] Сорокин А.Р., Ищенко В.Н. // ЖТФ. 1997. Т. 67. Вып. 11.

зависит от времени спонтанного излучения димера. Как С. 00.

следует из сравнения результатов выполненной выше [11] Hoff P.W., Swingle J.C., Rhodes C.K. // Appl. Phys. Lett.

оценки с данными измерения коэффициента поглоще- 1973. Vol. 23. N 5. P. 245–246.

ния активной среды, представленными в предыдущем [12] Смирнов Б.М. Комплексные ионы. М.: Наука, 1983. 150 с.

[13] Елецкий А.В. // Физические величины. М.: Энергоатомизразделе, поглощение, обусловленное наличием примесей дат, 1991. С. 391–429.

в активной среде, оказывается того же порядка, что и [14] Ellis E., Twiddy N.D. // J. Phys. B. 1969. Vol. 2. N 12. P. 1366– усиление на переходе димеров Ar2. При этом, поскольку 1377.

ширина линии усиления активной среды значительно [15] Wieme W., Lenarts J. // J. Chem. Phys. 1981. Vol. 74. N 1.

превышает характерное значение ширины линии поглоP. 483–493.

щения на атомном переходе, можно предполагать, что [16] Вероятности оптических переходов двухатомных молекул.

имеющееся паразитное поглощение связано с наличиМ.: Наука, 1980. С. 319.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.