Эксимерные и молекулярные лазеры с электронной накачкой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ЛКЛ.НМШ! ИЛИ. < < ( ¡'

ЛОМ

А ь

ОМ! ИЛ .П'ШШД ноки.ил омяи'иксмгыюлюшш

ФИЗИЧЕСКИЙ И! 1СГИТУТ

И\1).Ш11111~'!1 Ы,'Н 1>Л

На правах рукогшса УДК 621.378

КЕРИЙОВ ОЛЕГ ШВОУМОШЧ

эютмерныз и мотсглшш лазеры с электронной НА ШШЙ

(специальность - 01.04.03 - радиофизика, вклотая

пантовую радиофизику)

Айто.рзфефай'

дассэргацзя на йозокйааз ученой огепзиа докгорз фззако-иагеиайгеескизг йауй

йя» - 1339

Работа выполнена в ордена Ленина и ордена Октябрьской РвЕолшш Физическом институте имени II.Н.Лебедева АН СССР.

Офицаалыше оппоненты: Доктор фпзико-матеиатпчесглх наук

В.Ю.Бараиоо

докгор физико-матекатипеун Ю. А» Быковский

доктор фпзико-математачсскях паук Г. Г.Петраш

Ведущая организация указана в решении Ученого совага.

Защита диссертации состовтгя "_"_ 1989г.

в часов на заседании специализированного совета ДХ)2.39.02 Физического института вм.П.Н.Лебедева АН СССР по адресу: 117924, г.Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией ьэяю ознакоиатвся в библиотеке ФИАЛ. Автореферат разослан "_"_' 1989г.

Ученый секретарь

специализированного совета ДЮ2.39.02 доктор физико-математических наук

А.П.Шотов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рабом. Создание мощных и эффективных газовых лазеров высокого давления в широком диапазона дош воли является одним из важных и актуальных направлений развития квантовой алектроялка. Инюрос к газовыа лазерам высокого давления определяется возможность» достикешия большой концанграцва активных частиц и, следовательно, большой удельной мощности получения при высокой однородности активной среды, а такие существованием методов накачки, псзволяшчх осуществлять одноролюо ьозбувдение больших объемов сжатых газов и получить генерации в инфракрасной, видимой в ультрафиолетовой области спектра.

В последние года широкое развитие получили эксшарныа лазеры вакуумной ультрафиолетовой, ультрафиолетовой и видимой области спектра, активной средой которых служат чистые благородные газы а их сдаса с разлячшаш молекулярными газами при высоких давлениях. Разнообразные применения таких лазеров обусловлены широким снехгром генерируемы? дин волн (130+600 ни), высоким 8ЦД, высокой мощностьп п направленностью излучения, возмоааюстьп осуществления в силу характера потенциальных кривых эксишршх молекул плавной перестройки ддшц волны излучения и генерации ультракоротких имцульсов. Потребность в эксимерных лазерах определяется возможностью их использования для разделения изотопов, лазерной обработки материалов, зондирования атмосферы, локацав, связи, для управляемого термодцерного синтеза, в оптике, хдмни и других областях науки и техники.

Высокая эффективность излучения благородных газов и ах смасой с молекулярными при возбуждении электронами делает перспективным использование этого излучения для селективной накачки фотодассоцаонннх лазеров, в промышленной фотохимии, для

стериализаоии семян перед посевом, для очистки водных а промышленных висросоз Предприятий, В 1А!1КрОЭЛ0КТрО|РЮЙ технологии, как искусственное солнце в парниках, для распознованзл предметов ночью и т.п.

Создание и уопешное развитие мощных лазеров коротковолнового диапазона дли я волн было невозможно без проведения целого комплекса пкспераментальных работ по исследовшиш кинетических процессов, происходящих пра электронном возбуэдения инертных газов а ах смесей с молекулярными газами, измерению консгаяг скоростей различных элементарных процессов, выяснении иеханизков образована я инверсной заселенности, поиску новчх активных сред а мегодов накачки. Кроме того, в салу многообразия пропесоов, происходящих пра электронной накачке, в специфика образувщахся пра этой возбужденных эксимерных молекул, болью а интерес представляло исследование влияния темпера тура о давленая газа на канети!^ реакций, праводящах к образовании и тувоппп возбужденных молекул и, следовательно, на выходные характеристики конкретных лазеров.

Цель работы. Цельо диссертационной работы являлось исолодо-ваняе з из роком интервале давлений я температур газовых с род кинетики образования а разрушения эксицерных молекул, попек новых актввага сред а катодов возбуждения пра аяектдонной накачке сжатых газов, главных» образом, с целы) выяснения возаокностп их использования а качестве активных сред лазеров высокого даало-нип коротковолнового диапазона длин волн.

Научная яовззна я практическая значимость работы.

I. Продюгена и впервые экспериментально реализована воэ-мотаость использования сжатых инертных газов в качестве высоко-

эффективного аккумулятора энергии возбуждения шшшшх сред иощ&их лазеров в ультрафиолетовой области спектра на смесях благородных и молекулярных газов.

2. Впервые в широком интервале температур исследована кинетика образования возбувденных молекул ксенона и тушения возбуждения при накачка электронным пучком.

3. Впервые в СССР получена генерация в ВУФ области спектра (Л ~ Г72 им) при возбувдении азектронным пучком сжатого ксенона а смеси /¡г /1в при КПД и удельном энергосъеме

20 нДя/ш3.

4. Впервые и цезависимо от работ, выполненных в США, получена генерация в бяинней ультрафиолетовой области спектра при накачке электронным пучком смеси /7/-/Ж, , проведено исследование кинетики процессов, протекающих в активной среде лазера на смеси Лгв зависимости от давления и парциального состава в интервале температур от 150°К до 450°К и предложен механизм образования инверсна.

5. Продяоаены наиболее вероятные процессы образования возбуаденных атомов кислорода в состоянии 1 5*0 при возбужденна электронным пучком смеси Х0/О2 я впервые и с еле до кто влияние температуры активной ореды лазера на молекулах леО* , излучавдих в зеленой области спектра,на величину инверсной заселенности.

6. Обнаружен новый класс эксимеров, состоящих из одного галоидного и двух инертных атомов, и показано, что процессы образования тройных эксимеров в значительной степени определяют шходаые характеристики лазеров на галоидах инертных газов.

7. Впервые для получения генерации в ближней УФ и видимой области спектра предложено использовать широкополосное излучение (Д Л - 50-100 ну.) , наблвдащееся при возбувдешш смесей

(230 нм), (¡г¡Кг/Р0 (420 нм) и Кг/Лв/Г2 (480 гол).

8. Обнаружена сильная температурная зависимость интенсивности излучения эксимероз Иг Г* я КгаГ' .

9. Обнаружено, что отношение дрейфовой скорости к константе скорости прилипания электронов к галогоносодергещам молекулам зависит от их концентрации» Изменение концентрация галоге-носодертацих молекул приводя? к изменения функции распределения электронов по энергиям л, соответственно, отношения дрэйфосой скорости к константе скорости прилипания электронов в электро-иопизацаонном разряде.

10. Впервые получена энергия генерации равная 20,5 Да в электроионазационном ){аС£ лазере.

11. Предлохены и впарзыа экспериментально осуществлены дла новых способа накачки активных сред эксимерных лазеров: катод возбуждения с накоплением отрицательных ионов и возбуждение быстрым разрядом со стабилизацией электронным пучком малой плотности тока (внешним ионизатором малой мощности). Предлокашшз способы накачка позволяют в частотно-импульсном ре гаме осуществлять однородное возбуждение сжатых газов при незначительной

(на несколько порядков мзньяей, чем в случае электроиоипзацпон-ного метода накачки) тепловой нагрузка на фольгу, разделяющую вакуумный объем элвктрэшюй пупки и обьеи лазерной камеры, а высоком энергосъемо. Для КсС£ -лазера впервые достигнут удельный знергосъам 10 Дк/л.

Экспериментальные результаты, получешша в диссертации, нмзэг практическое значение при проектировании и оптимизацая морршх газовых лазеров высокого давления ультрафиолетового п видимого диапазона длин волн различного палевого назначения.

Основные полодения. представляемые к э^щ1те.

1. Саатыз инертные газы и их смеси с молекулярными газали с электронной накачкой являются высокоэффективными источниками спонтанного и лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра.

2. Теше par ура активной среды газовых лазеров высокого давленая ва электронных переходах молекул существенно влияет на процессы образования и тушения эксммерных молекул ( Ле2* , КеО*> Кт£\ flr!(rF , 1<ггГ), процессы передачи возбуждения в смесях инертных газов с молекулярными газами ( Mr ) и, следовательно, выходные характеристики конкретных лазеров.

3. Опгамальные давления, парциальный состав и температура активной среда лазера на смеси Дг//Vs определяются конкуренцией процесса передачи энергии or аргона к азоту и процессов образования аксимеров аргона, а такев изменением ширины линии лазерного перехода.

4. Образование эшшаров, состоящих из одного галоидного в двух инертных атомов ( Дг2Р\ fir Кг F \ KrsF*, Ке2 С£*), впервые обнаруженных в настоящей работе, существенно влияет на процесс тушеная верхнего лазерного уровня и выходные характеристики лазеров на двухатомных галоидах инертных газов.

5. Температурная зависимость интенсивности излучения ькеи-коров KtF * и Kr2F * при возбуждении электронным пучком смеси Л- jI^ связана с перераспределением вкладываемой энергии манду эксимерама КгР * а ArKtF \ Энергия иглученвя в КПД лазера на эксамере Кг F * существенно возрастай? пра увеличении температуры смеси fir ¡Кг / СIOOO/IO/I) до 4Ю°Е.

6. Элзкгроионизащзонный метод возбуждения позволяет получать высокие энергии генерации ( 20 Л» на электронных

переходах оксзыаров. Ki СЛ..

7. Метод тазбундзная с накоплзпиеи отрицательных яоиов и воз бут д8 цл з разрядом со стабилизацией электронным пучком малой плотности тока позволяет получать генерация па электронных переходах колокул с высоким знэргосгемом при незначительной (па несколько порядков меньшей, чем в случае злектроаониззцпои-ного метода пзкачка) тепловой нагрузке на фольгу, раэделягкуа вакууалаЗ обхем алектрогаюй пушка я лазерной камеры,

Апробагтяя работи. Основана результаты дяссзртацпп доклади-еэяясь на ГУ Всесоюзной конференция по спектроскопии вакуумного ультрафиолета в взазмодайствз» излучения с веществом (Ужгород, 1975г.), на УШ, IX Всесоюзных конференциях по когерентной н вела-неаной оптике (Тбялися, 1976г., Ленинград, IS73r.), па П Еззсоззнэц коЕ$орзнцлп по фазипескви процессам в газовых ОКР (Ужгород, 1978г.), Сессия научною Совета АН СССР по проблема "Когерентная л нелинейная оптика" (Тбилиси, I985i\), на ыогдупа-рэдшга конференциях laset: -31 (щ, Новый Орлеан, 1981г.) и Iflias -82 (Румыния, Бухарест, 1982г.), семинарах ФЯАй.

Буйчпкаряя результатов даосертяпаи.

Материалы диссертационной работы опубликовали в 32 статьях.

Объем я структура доссэртацза. Диссертация состоит из введения, четырех г"ав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет Г"3 стр. машинописного текста, в том часта 115 рисунков и 10 таблиц я список литературы с 3G7 наяменова-няякз.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. .

Во взоде.шга обоснована актуальность теш диссертации, цзля а задача исследований, кратко рассмотрено содзрайа» дзссертацзв»

V

Сфорцулпрошшц осяокшо подоазкая, вшосаш m зшкзгу, научная повааиа и праетпчэская значимость работы.

В вапвой глара. погорая носа® обзорный характер, pacca»?-parni шгода электронной пакачки о основные характеристика ак-оаиэрша лазеров. В первой параграфа главы I приводится структура олектроппых уровней в полосы излучения ексшмврпых шлекуд, обра8утеахся пра взавшдействая атомов инортдш: газов друг с другой, a saisza о ка слородоц в гадогенаш.

Основные юеханизш потера еноргиа быстрыш едвктронаш, удельная шщвость накачка, доля энергии накачка, идущей на обра-sosasao ионов, возбужденных атошв с вторачншс электронов, прз накачка релятивистский электронным пучкои ossaïœc газов, а такта ООВОВШ19 влеизнты а конструктивные особенности ускорителей электронов описаны во второй параграфе первой главы.

Цногочасяенныз эксперименты, выполненные а последнее годы, полазали, что ори возбуждении электронный пучкоы скатых бда- ' го родных газов я ах смесей с различными молекулярными газам реализуется целый ряд механизмов образования инверсии на шяе-кулярных переходах. Пра этой генерация получена в вакуумной ультрафиолетовой (БУФ) области спектра на дииерах инертных газов, а такта в ультрафиолетовой (УФ) а видимой областях спектра, как на примесных молекулах, так и на новых эксимаршх молекулах.

В третьем параграфе пергой главы обсувдатся основные ха-раетариотика экоииеряшс лазеров ВУ4, УФ а видимого диапазона длин волн с накачкой электронным пучком.

Для лазеров на галоидах инертных газов успешно был осуществлен электроионизационный метод накачки, впервые предлоаен-ный для возбуждения эксимерных лазеров в начале семидесятых юдоь в лаборатория КРЭ МАН СССР им.П.Н.Лебедева, а таккэ

- К) -

«озбу* пение быстрым разрядом.

В чотвэртсм параграфа главы I раосштрэн электдонониза-цаонный метод накачки экспыериых лазеров (устойчивость разряда, »^активность воэбухдакяя нзяяих электронных у^внеЯ ато-етп инертных гязоп, мехчнизм образования инверсии), прзЕОдатся сравнение теоретических расчетов с экспорн ментальными дштшда, а такте приведены основнио характеристики злектройоназацаошшх лазеров на галоадах анертних газоа.

В последнем параграфа первой главы описываются конструкции электроразрядных лазеров на галоидах ниортних газов, принцип ах работы, приводятся результаты исследования канегяческпх процессов при возбуждения быстрый разрядом н сравиенэе теоретических расчетов с экспериментом. Рассмотрены ямпульсно-иерзода-ческиз эксииврные лазеры, результаты экспериментов по уменьшение углогой расходимости излучения а лазеры на галоидах инертных газов, возбуждаемые высокочастотными а продольная разрядами.

Во второй глава прззодены результаты лсслодозаиал етпотп-ческях процессов образованяя инверсии в оксишряих дозорах па сжатых инертных газах, а такве энергетических а спэктряльнчх характеристик спонтанного я лазерного излучения сззгыз Ха а смеси /¡г / Ае в ВУЗ ( Л = Г75 на) области спэятра. Рассмотрен механизм образования я раз руде нп я дпязров апарткнх газов при возбуждении электронным пучком част пяорпт газов в их смесей. При возбуаденяй оаатого ксенона а смэсй'^яектрастет лучком накосзкундноЗ дяягельдаота п с высокой плотность» юка электронного пучка взмераяы константы скоросм образе имя зксвкороз ксенона п тушеная гозбуздапия. Баарвкз зкспарямэнгааь-ко показано существенное влияние температуры па продзссд обраго-

ваная эксамэров. Поникоше температуры приводит к увеличении константы скорости образования эксвмеров ксенона, уменьшению константы скорости тушения возбужденных атомов ксенона и снике-шт заселенности нижнего лазерного уровня. Эффективность возбуждения саатого ксенона электронным пучком при комнатной тоьшэратурэ и давлении 15 ата составила - 20$ в достигала

2Q% прз давлении 3 аты. Спектр излучения ксенона cysascn 0 0-

от 100 А до 8 А при переходе от спонтанной люминесценции a гопо-рацаа лазерного язлученш. Использование casca Л г До позволяем существенно повысить удельную энергии гоне рации. Удельная мощность (энергия) лазерного излучения на дявпо волш J = = 172,5 на достигала величины 4 МВт/см3. (20 ЬЩг/см3) при КЦЦ С% (по отношению к вложенной в газ от электронного пучка энергии), который в несколько раз превышает величину ЩЦ, подучен-нуя в других работах.

В настоящей работе и независимо в работах, выполненных в (Ж, впервые запущен газовый лазер высокого давленая УФ диапазона дшш волн прз возбуждении электронным пучком сшси благородного о молекулярный газом, в котором инертный газ играет роль высокоэффективного аккумулятора анергии накачки. Генерация получена на второй положительной система азота при накачке смоси

. Использование в качестве активной среды смеси flr/N;, позволило значительно повысить КЦД азотного лазера.

После запуска в настоящей работе первого газового лазера высокого давления УФ диапазона длин волн била получена генерация в уф и видимой области спектра на ряде других смесей инертных газов с молекулярными газами, в которых сжатый инертный газ играет роль аккумулятора энергии накачки. Однако для понимания потенциальных возионностей этих лазеров, оптимизации

параметров накачки, давления, состава и темпзрагура сглеса необходимо било провздение асслодосанай в широком интервале давлвиай а температур кинетических процессов образования а разрушения анвзрсиа, измерение констант.скоростей разла'нгых аяа-ментарных процессов, Результаты зтях псслодоезнлй прз накачка алекгроннка пучком смесей аиэргшх с шлевуляршсзэ газами представлены в третьей главе.

При возбуадзнив электронный пучком частого азота а сг.:зсай Р,г /было обнарузено, что наиболее интенсивной лппяей в спектре излучения является линяя перехода ( А - 357,7 на) и показано, что добавление аргона к азоту пра водит к-значительному увеличения ковдюста спонтанного излучения на второй положительной система азота. Генерация при накачке смесей Яг //И, полупена в широком диапазоне парциальных давлений аргона и азога (от 1/1 до 100/1). В результата ясслздовапзй зависимости кокюостп лазерного пзлучеяая о? яаатешзя а температура сазов8 Дг//% прэдлопзн глхалзз:.! образования аавзрсза п показало, что в отлзчае от разрядного азотного лазера цоазгость генерации возрасгаог прз пошазпза температура, а что оптвиэльное давление, парозазышЗ соегав а температура скоса определяется 2о«:урзкцзой проагсоа яорздачя эноргая с кегаотабшаша ^Р состояний аргона г: агогу и ароцзссз образовшгзя окссглэров Дгг , а ?ацт.:з загзсгхзсгвэ плр.!!ш линяп лазерного парохода о? даатошш. Опрздшша довсгсога скоро сгя порздачз позбуадокяя от Дг {??) к азоту а оо »зглоа-посгь от температура в впт'зриалз 150-1£0°К. Поегроегга стг.етк-ческая модель лазера, позволяется рассчитать сикодцуи г:с:;поа'г*> и зноргпа гоиарацаи в зазасгмосга от токпоратуры, дашхонпл» сосгака смоса а волгчзнн иоп?госга наката. Сравкопг.а окспсрт-

ментальных данных с расчетными показывает не только качественное, ко а количественное согласие.

Измеропы коэффициент усиления а расходимость лазерного излучения.

Ыакснуальний ШЯ лазера по отношена» к влогзнной и газ от електсонного сучка гнергав достигал ¿r%.

Результаты эксперааеитов, полученные при юэСуздеипа едектрояиыа пучком самса Хе/02> обсуздаются го агорой параграфе третьей главы, Генерация получена в зеленой области спектра на молекулах XsO* , образующихся в розульгазе столкновений атомов ксенона в основном состоянии в атоца кислорода в состояний ±Sa • Рассмотрен цэханизм образования инверсии и прзддо-езны наиболее вероятные процессы образования возбувденных атомов кислорода в состоянии , Исследована завислшсть ыоащости спонтанного и лазерного излучения шязкул ХеО* от парциального состава, давления в температуры сдаса Xe/Og, Определе-1ш константы скоростей тушащих процессов в диапазоне температур 180-295°К, Экспериментально показано, что ионикение температуры casca приводит к увеличению населенности верхнего лазерного уровня ц, следовательно, коэффициента усиления,

Б последнеа параграфе третьей главы приведены результаты исследования клавший образования, энергетических и спектральных характеристик спонтанного л лазерного излучения галоидов инертных газов, ;

Прл возбуждении алектрошшн пучком смесей благородных газов со фтором образуется эксааерц fírF* .л -HrF .. а КсГ , излучение • которых аароко используется для получения интенсивной генерации в ультрафиолетовой области спектра. В- результате исследований, проведенных в настоящей работе, был впервые

обнаружен новый класс эксимероя, состоящих пз одного гллепд-лого я двух чнзртинх атомов: Лг? /Гг2 Г , /!г&Г. У трох-ато»;'.!сс эдсиуеров, например /V,/7" , анаргзя свяээ болкго, чоа у двухатомных эксваэров Дг Г* на „еличзну опэргаа спязя молекулярного зона Дг* , а потенциал отталкавшгая в наживи сосголнзл баяша за счот валнчая трвтыЯ пасши, ЛЬотсздг волоса излузадая грехатсшнх эксамзров сдвпнутц в дспшюЕОЛПОяую область спектра относи-ельно полос азлучоная даухатскшх окся-неров а ие« старается в вяданаЗ диапазон дан волн. Прл отоц полущарзна полос взлучонвя эксяморов составляет 50 ни.

В наегоявдй работе показано, что процесса образования уройянх эксзкоров существенно Еллягя на механизм работы лаза-ров на галоэдах шгортных газов, Зависимость отпошэпзя интенсивно сто Я подучзшя трГншх оксш'.зров к аитенсавкоста аздучзивя двойных эясзмзроз от давления смесей благородных газов со фтором остается лзнвйной в из роком интервале давлений. Это обстоятельство объясняет уменьсоняе эффективноста лазеров на галоидах п.чор-тних газов при высотах давлениях. Показало, что сильная температурная заззнсаыосгь явгеисяввосгя спонтакггого излучения оксямз-ров КгР* вря возбувдзшга емзея Л У } Кг /Иг , Епорзпо обнаруженная в настоящей работе, связана с перзраспраделепаом вкладываемой от электронного пучка энергия швду эксиморама

Ну2Г , Определены константы скоростей трзхчастичтсс.

«Т Д т '

процессов образования трзхатоьздше экешаров ((1-2)*10 , * обяарушю ввпдратачпоо по давленая их тушеняо с константой скорости — 10-33 Впорвно продемонстрировано существо^

йшао грзхатошшх ок^аморов с различными атошмя янвртак газоз. Определена глубина потенциальной яки оксааара Дг КгР* . В настоящей работе впервые для получения генерации в блакнеЗ

УФ п шдимой области сноктра продяокеио использовать широкополосное аздучешзо, набяавиЕЗЗэся при возбуаданив смесей (2£0 км), Яг/Нг /Рг (420 ни) а /(V А'с//\ (480 нм).

Генарацзя получена иа молекулах /¡V Р * ( .// = 248, бны) Е Хе Р* ( Л = &$3,5 шз). Обцарунано, что энергия лазерного пзлучзшш на дшно кшш Я ~ 248,6 ни возрастает примерно па цорцдок пра уволичагап температуры сетси Дг //(V /Г^ (1С00/Ю/1) сг 2Э5°К до 400°К. Максимальный ЩД лазера со отно-аэшш г, шохашюй в гаг, энергии достигая 5 л, а энергия генерации равнялась 1,2 Да.

В чвтюртой гляео представлены результат экспорзментаяьшк вссзадовашШ адакгроразрадншс окспмарных лазеров. В лаборатории ШН ЕЯС падучешш генерации па переходах эксамврных молекул марша Сил ирэдвогон айектроаона8аааошшй «атод возОуздения. Однако июнзраАюитшшо в гсорэгвчесшш исследования злектро-понпзацаошюго мэтода иакачкв показали, чго б чистф: инертных газск развивается сгупончаго-пошззацаонная неустойчивость, которая прзнягеггуот достяеониэ достаточно высокого коэффициента уоплоквя ц подучашкз генерации. Эл е кт рол 01 азавдо нкы11 мзтод ьоз-б/зд'лшл бал успешно осущостпяоа сначала п США, а затем у нас в страна в емзоях инертных газов с галогене:.!::, в которых прилипание слоктроцоз к гаяогвносодаргалгш молекулам подавлязт ступан-чаго-иоштацаоннуп неустойчивость.

В паргоц параграфе четвертой главы представлены результаты сшюрзкзЕгалыюго пссяедованая характеристик элекгровоназа-цлош;зго разрцца, а тоаав пороговых, выходных и спектральных хорашорогиа лагороа I» гаяолдах благородных газов. Обнаружено, чго сагасйг^эоть врамзна задзр.гки пробоя разрядного иромзяутка

относительно начала тока электронного пучка от цощгаста, вхла-днгдеиой в .разряд , экстраполируется для лазерной с;лэсз

А?/Xо /МГ3 гиперболой С ■ 0е 0,04 Дз'гаГ3, а для С-'.осп Яг/Хе /ССЕ^ пробой наступает воогда на спаде импульса разрядного тока. Используя оксперямонтальнуп зависимость плотиоотз разрядаого тока от давленая, определены констаптн споро стай прилипания электронов к молекулам №3 (1,5*Ю~9 са3*с~*) я (З'КГ9 в электроио;газащ!ошюм раз-

ряда. Обнаружено, что при фиксированном значении Е/Р отноиоггао дрейфовой скорости электронов к константе скоросгп приллпашзя к галогенам зависят от копцентрацап галогзна п высказано прод-подозшняо, впоеледстваи подтворздегаюо другим! асслодованаяиз, что эта зависимость связана с нзмонепзвм функция распрздолония электронов по энергиям.

Дчя лазеров на тйздулпх Ас/' а КеСЕ ( у) = 300 па) гепорзгдая наблацалась о широком интервале давлений п составов смоси. Кооффпцяонт усялопая плектропоппзадиопного ХоР -лазера пра мощности накачка 80 кВт■ с;.Г3 равнялся При мощности накачки ( <* 150 не) большей 80 кВт • с;Г3 для Лй/* -лазера (Р = 2,5 от и) а 170 кВт-см-3 для лазара (Р =

я 2 атм) паблюдается резкое увеличение энергии излучения, связанное с насыщением лазерного перехода. Макситшьшга оначзпяя КПД шгектроионизационнше ХаГ и ХоС6 -лазеров по отпоаошзэ к плояенной в газ энергии составили соответственно 1,5% п

В спектре излучоипя смесей Аг/Ке /ССЕ4 ' обнеруглш две новые шпрокио полосы с максимумами вблизи 350 пи, 500 ям. Широкополосное излучение на у! =» 500 гад связывается о'пзлтчо-ниен трехатомных зкепмаров Ае„СР. . 11а полосу 500 гш пакяаш-

еозтся большое число линий поглощения, которюо, как показано

С настоящей работе, происходит в основном с ннтаах метаста-

Сзяьных уровней ксенона. В спектре генерации ЛеС£ -лазера

!шйладаотся шесть линий с расстояниями мезду линиями 0,20-0,26

ш. Это указывает на то, что эти линии соотвзтствуит перехосам г .

по сорхнего состояния 2_ </ на различные колебательные

<* г

уровни наннего слабосвязанного состояния 2— .

При объеме активной области электроионпзаааонного лазора равном 10 л (20 х 200 х Ю см3) получена выходная энергия (мощность) 20,5 Да (35 Ивт).

Во втором параграфе последней главы рассмотрены новые катоды ЕоэСуждения, позволяющие снизить мощность ионизации в вдектропонпзацаонных эксокерных лазерах: метод возбуждения с накоплением отрицательных ионов и возбуждение разрядом со стабилизацией электронным пучком малой плотности тока (внешним воиязаторои малой мощности). Выполнены эксперименты, моделиру-кцзо первый способ возбуждения для

и КеС£-лазеров. В роком интервала давлений, составов смеси и плотности тока шгектрошгого пучка исследованы временные, простраяствен-1шо, йпоргетичоскае а спектральные характеристики

ы г ые

-яааоров, вообуадаошх быстрым разрядом стабили зиро ванным вяоктротша пучкои налой плотности тока. Для КеС1. -лазера полутон удавит!! внзргооьеа 10 Дя/л и 3 Дя/л при плотноотб тот озоптрошого пучка, соответственно, I Л/см2 и ГО-4 к/см2. Оба нрэдчс~зшшх способа накачка позволяет снизить тепло-супз нагрузку ш фольгу по сравнению с возбувденяем нвсамостоя-геишшм ааоягрозохшэадаонша разрядом в несколько тысяч раз.

В закяшэазя сформированы основные результаты, получен-ныз в иаотоядаЯ работе.

В приложении к диссертации описана техника экспериментальных исследований.

исследование излучения сдатых газов пт электронной воз-будцении в широком диапазоне длин волн от вакуумной до видимой области спектра и температуры от 100°К до 600°К встречается о ыногочислешшма экспериментальными трудностями, связанными как со спецификой вакуумных измерений, так и с особенностью одновременного использования криогенной (высокотемпературной) а высоковольтной техники. Практически вся использованная в нао-тоящей работе экспериментальная техника, за исключением спектральных приборов, была впервые разработана и создана специально для этих исследований. В приложении к диссертации рассмотрены разработанные конструкции ускорителей ленточных релятзЕястсЕих одактронных пучков площадью до 4000 си2 и о дянтельностьо пи-пульса от нескольких наносекунд до I икс, которые позволяли как исследовать процессы наносекундной длательноотв, так в обеспечивали необходимую мощность накачки сяатых газов при объемах активной области в несколько десятков литров. Здесь ке опя-савы конструкции лазерных камер со специально разработанными фланцами для ввода электронного пучка через тонкие фольга в камеру высокого давления при высоких а криогенных температурах и системой юстировал зеркал, юэводявдами проводить исследования спонтанного а лазерного излучения в широкой области давлений (до 30 атм) а температур.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

I. В широком интервале давлений и температур исследована кинетика образования инверсии в лазере на сиагом Хе и смеси Аг/Хе, возбуждаемых электронным пучком, измерена температурная зависимость константа скорости трехчастичного процесса

образования воабузденкнх динаров ксенона и уушашя возбуадэн-

2» Покапано» что при возбуаданаа сжатого ксенона вф$ек~ Езышсгь преобразованая■эноргии электронного пучхг в анергию сиопшшого азлучошя вксимеров Хе^5' составляет ~ 202 при дааязаш; Р ~ 16 аш я достигает - 30? при ушнБвешш кощ-ноога накачка (Р = 3 атм). Генарацгя получена ид давне вояка Л в 172,5 ил. Удельная моииость излучения дооуагаяа ~ 4 Шг/си4* при ШД - '6% по отиоватга е »поганкой в газ окэрган.

3» Ваерваз запущен газовый лаззр высокою давленая в (дашшй ультрафиолетовой области спектра (Л ~ 357,7 ни) па второй полозагзлъной оаогвмз азота пра возбуадвииа злект-рошши пучкоц СМ2СЕ Аг / АС, , йсслодована аавасишсгь мощности лазерного азлучоная ох давлзнгя, парциального состава в евмпаратурн смеси. Предложен ыеханизи образования инверсия пра Бозбувдонаа емзев влектронаым пучке?,! и показано, •

что в огдичие от азотного лазера низкого давленая мощность генерации возрастает пра увеличении геывврагуры и что оптемаль-1ша давленая, парциальный состав и температура сааси опрзде-ляегся конкуренцией процесса передачи энергии с иатастббадьнш; % уровней аргона к азоту, и процесса образования окошеров аргона, а сада изменением шаршш линии лазерного перехода с . давлена ем. Удельная мощность лазерного излучения на дане вол ни А = 357,7 ни достигала 70 кВт/см3, КПД энвргвя лазерного излучения 0,1 Дж, расходимость (5 + 2)'Ю-4 рад.

4. Генерация в золеной области спектра получена пра накачке сдоса ХеЛ^. Предложены наиболее вероятные процессы образования возбувдшцш атодав £сислйрода в состоянии , Измерена температурная зависимость константы скорости тушеная

возбуадааних атомов кислорода 0( ) иэлакулаиа 03« Показано, что по на ге пае темпе ратуры с^аса право дат в уЕзлачошш козффа-вдента усиления а эффективности преобразования оавргав олент-ронного пучка в излучение молекул ХеОй.

5. Исследована кинетика процессов, протекавдях при гаэ-бувдениа злектрошшы пучкоц сиз сей благородных газов со фтором. Обнаругэн новый класс зксиы&ров, состоящих из одного галоидного в двух инертных атоиов: . Показано, что процессы образования тройных эксаывров в значительной степени определяют выходные характеристика лазеров на галоидах инертных газов. Прз возбувдешаи смеси /?/-/Кг/Г^ обнару-кена сальная температурная залисагдость интенсивности излучения знсаиаров КгР* . Показано, что увеличение интенсивное-га излучения эксамаров КгР * с ростом температуры связано о пзрораспраделениеа энергии цазду эксимерамн Кг Г'и Л/г,/7*. Гонерацая получена на длине волны Л = 248,6 ш при накачка смесей /?/-/Л>//[ а на длине волны Л - 353,5 ш при накачке смэсзй Яг/Ле/Г2 . Обнаружено, что энергия лазерного излучения на длине волны Я » 248,6 нм возрастает примерно на порядок при увеличении температуры смеси Дг/Мг /. (1000/10/1) от 295°К до 400°К. Шксп.иальннй КПД лазера достпгач ~ 5,1, а энергия генерация 1,2 Да.

6. Исследованы характеристика элекгрононизащюнного разряда, а такаэ пороговна, выходные и спектралышо характеристика Лаз а рэп на гаяогончдах пнертпих газов. Определены константы скоростей пр^чапаная электронов к молекулам А/Р3 а . Обнаружено, что врем задержи пробоя- разрядного промежутка отиосателъга начала вмпул&са электронного сучка в смэса

/// /Л>//'7з обратно пропорционально мощности, вклздывае-иой в разряд, а в скоса Дг ¡Хс /пробой'наступает всэгда на спада импульса разрядного тока. Генерация при зяек-троаопизацзошзом истоде накачки получена на молекулах ÄeF, KrF , KeCt . кпд влактрозонвзационных XeF и ReCl -лазеров достигал, соответственно, - 1,5% и В спектре

излучения сядесей flr /Хе /ССб^ обнарукены два ноше широкие подоен излучения вблизи - 350 ш и ~ 500 им, связащшо с переходам соответственно юлекул лвС£ ('77 ->- f] ) и лс2Ct , Показано, что лшшш поглощения, накладывающиеся на варояополос-Ш1й спектр излучения колекул Ле2С( обусловлена поглощадсеа из нищего «атастабияьных состояний атомов ксенона. Получена анергия излучения аяектровонизационного XeCi -лазера 20,5 Да.

7. Предаоганн два способа накачка активных сред эксимзр-ннх лазеров: погод возбувдеиия с накоплением отрицательных ионов а возбувденгя разрядом со стабилизацией электронный пучком малой плотности тока (внешним ионизатором малой иощности). Вшолнена эксперименты, ыоделырувдие первый способ возбуедоная для XeF и Хе££ -лазеров. Исследованы временные, пространственные, энергетические и спектральные характеристики XeF и Ко СИ -лазеров, возбуздаешх быстра разрядом, стабилизированным электронным пучком малой шютности тока. Показано, здо олотность тока электронного пучка шкет быть уменьшена до 10 * А/сы3 нри незначительной уменьшении энергии генерации,

Основные результаты диссертации опубликованы в работах, I. Басов Н.Г., Баленов Э.М., Дадилычев Б.А., Керимов О.Ы,, Ковш и.Б., Подсосонный A.C., Сучков А.ф. Электроионизашоа-ныз лазеры. М., 4НАН, 1972 - (Препринт К 56).

2. Басов Н.Г., Беленов Э.М., Данилычев В.А., Керимов О.М., Ковш И.Б., Подсосонный A.C., Сучков А.Ф. Электропониза-ццонные лазеры. - £ЭТФ, 1973, т.64, с.108-121.

3. Басов Н.Г., Данялычев В.А., Долгих В.А.. Керимов О.М., Лобанов А.Н., Сучков А.Ф. Ультрафиолетовый лазер высокого давленая на смеси + М, . - Письма в НЭТФ, 1974, т.20, с.124-128.

4. Даншгачев В.Л., Долгах В.А., Керимов О.М., Сагитов С.И., Ставровский Д.Б. Исследование лучевой прочности зоркая резонатора ксеионового лаз-зра. - Квантовая электроника,

1974, т.1, с.2650-2651.

5. Басов Н.Г., Брунин A.II.» Дшшлычев В.А., Долгих В.А., Каримов О.М., Лобанов А.И., Сагитов С.И., Сучков А.Ф. Ультрафиолетовый лазер высокого давления на смеет /?г + + A'z . - Квантовая электроника, 1975, т.2, с.2238-2242.

6. Баранов ¡Т.Д., Бурдин С.Г., Дшшлычев В.А., Керимов О.М., Экспериментальное исследование кинетики образования воз-бузденных молекул в ОКГ на сжатом ксеноне. - Квантовая электроника, 1975, т.2, с.1997-2002.

7. Басов Н.Г., Дшшлычев В.А., Долгих В.Л., Керимов О.М., Лобанов А,4.., Подсосонный A.C., Сучков А.5. Элекгропоняза-цаонннй мотод возбуждения генерация в вакуумной ультрафиолетовой области спектра на ксононо. - Квантовая злекгропика, 1975, т.2, с.28-36.

8. Басов Н.Г., Васильев Л.А., Дапилычов й.А., Долгов-Сотшьов Г.Г., Долгих В.А., Керимов О.М., КозоронлшшД Л.Л., Орлов

В.К., Ходкевич Д.Д. Газовый лазер высокого даллопия и Столетовой области спектра па зонах молекулярного азота. - Квантовая электроника, 1975, т.2, с.1591-1593.

9. Брунвн А.Н., Даншшчав В.А., Долгах В.А., Караков О.М., Лобанов А.Н. Кинетическая модель ультрафиолетового лазера па смеси Яг ♦ . - Квантовая электроника, 1976, ч.3, с.2344-2350.

10. Мивлтвв В.А., Долгих В.А., Керимов О.М., Сагвтов С.А., Ставровский Д.Б. Исследование лучевой прочности диэлектрических зеркал резонатора ксенонового лазера. - Квантовая алектроника, 1976, т.З, O.I8I7-I8I9.

11. Басов Н.Г., Брунин А.Н., Данплычев В.А., Дегтярев А.Г., Долгах В.А., Керимов О.М., Лобанов А.Н. Лазер в зеленой области спектра на молекулах ХеО. Письма в ХГФ, 1976, г.2, с.337-341.

12. Басов Н.Г., Брунин А.Н., Данилнчев В.А., Дегтярев А.Г.. Долгах В.А., Керимов О.М., Лобанов А.Н. Кинетика инверсной наоеданноотв в активной среде лазера на молекулах ХеО, излучавдих в зеланоВ области спектра. - Квантовая электроника, 1976, Т.З, й 8, о.1727-1732.

13. Басов Н.Г., Брунин А.Н.. Данилычев В.А., Долгах В.А., Дегтярев А.Г., Караков О.М. Лазер высокого давления в ультрафиолетовой области спектра на молекулах Xef. -Паоьда в Ш, 1976, т.2, с.1057-1062.

14. Басов Н.Г., Брунин А.Н., Данилнчев В.А., Дегтярев А.Г., Долгих В.А., Каримов О.М. Лазер высокого давленаяР'ультра-фполетовой области спектра на молекулах KrF . - Квантовая вдектроника, 1977, т.4, с.1596-1597.

15. Басов Й.Г., Брунвп А.Н., Данилычев В.А., Керимов О.М., Малевич А.И., Ходкевяч Д.Д. Установка для экспериментов о газовыми лазерами высокого давленая. - Писька в ХГФ, 1977. т.З, I297-I30I.

16. Басов Н.Г., Еругая С.Г., Данллычев В.А., Догтярэв Л.Г.. Долгах В.А., Керимов О,И., Лобанов Л.Ii», Сучков А.Ф. Гя'лено лазеры высокого давления на влектрошшх переходах г.ояэкул. М.: ЙШ, 1977 - (Прэпршгг Л 23).

17. Даналнчев В.А., Каримов О.И., Ковш И.Б. Молек>ллрцыо газовые лазеры высокого дяманая. - Итоги науки в техники. - М.: ВИНИТИ, Радиотехника, 1977, т. 12.

18. Басов Н.Г., Даншшчев В.Л., Долгих В.А., Каримов О.М., Лебедев B.C., Молчанов А.Г. Новые эксимэрные полосы излучения галоидов инертных газов. - Письма ЮТФ, 1977, г.25, с.20-23.

19. Данилычев В.А., Зубков В.М., Каримов О.М., Милаяич А.И., Сагитов С.И. Лучевая прочность интерференционных покрытий в У<5 области спектра, полученных алоктронно-лучовшд испаренном. - Квантовая электроника, 1978, т.5, с.2027-2029.

20. Басов Н.Г., Васильев Л.А. Волков В.И., Данилычев В.А., Керимов О.М., Мйлапвч Л.И., Ломакин В.Н., Устинов Н.Д., Хачапуридза Т.О. Элактроаонпзациошша лазера im галоидах инертных газов. - Известия Академан наук, серая фявггческая, 1:79, Т.43, й 2, с.239-245.

21. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Долгих В.Л., Кэраков О.Й., Лебедев B.C., Молчанов А.Г. Кинетика образования энсакоров в лазерах на смеси инертных гавов со фтором. - Квантовая злактропвка, 1979, т.6, № 5, O.I0I0-I0I8.

22. Зубков В.Н., Каримов ОЛЛ., 1йлш:ич А.И., Сагатоа U.U., Ставроззскай Д.Б. Исследование свзторассзяпия п лучевой прочноста оптических ппкритпй в УФ облаота июптра - . лаптовая электроника, I9S0, Т.7, 0.638-640.

23. Александров А.Ю., Басов Н.Г., Данилычев В.Л., Кераков О.М., Миланич Л.Л. О возможности создания dkcei/.ЭрИЫХ лазеров с ионизацией внешим источников малой мощности. - Квантовая алекгроника, 1981, т.8, с.1932-1993.

24. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Керакюв О.М., Шданич А.И., Элзктроразряюшй эксимарный лазер на ткекуде ХеГ

со стабилизацией разряда алектроншс: пучком ц&лоИ плотности тока. - Письма в Ш, т.7, с.1217-1221.

25. Басов Н.Г., Вахонев М.Б., Данилычев В.Л., Дегтярев Л.Г., Зарудин В. Г., Казаковцев В. А., Ко раков O.K. ¡¿ощный шгокгроаонизациошшй лазер в УФ области спектра на экси-мзро ХчС£ . - Письма в ЖГФ, 1982, Г.8, с.245-250.

26. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Керимов О.М., Маданич А.И., Хачалурадзе Т.е. Ксслодование характеристик разрядного

Хе С£ -лазера с ионизацией вдвктрошшм пучком малой плотности тока. - Квантовая алектронвка, 1983, t.IO, с.643-646.

27. Даншшчов В.А., Долгах В.А., Керимов О.М. Исследование шлекудяршгх газовых лазеров на электронных переходах, возбуедаеыых электронным пучком. - Труды ФИШ СССР, 1983, т.42, с.172-202,

28. Александров А.Ю., Басов Н.Г., Волков В.Н., Данилычев В.А., Матвеев И.Н., Милшшч А.И., Ломакин В.Н., Устинов Н.Д., Каримов О.М. Использование ионизаторов малой мощности для возбуждения активных сред эксимврных лазеров. -Квантовая электроника, 1986, т.13, W 14, с.704-711.

Т - 01798

Подписано в печать 6 мая 1989 года' Заказ ,'ё 433. Тираж 200 экз. П.л. 1.6 Отпечатано в Отделе научно-технической информации ФИАН СССР Москва, В-333, Ленинский проспект, 53