Эксимерные лазеры и многоквантовые процессы ионизации и диссоциации двухатомных молекул тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

рго

( ! О

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСШВЮТ ЗГЗБЕКЙСТАН ОТДЕЛ ТЕПЛОФИЗИКИ

Ьа правах рукописи S2I-373.826.Q38.826; 535.338.43

АЗЩЩАНОВ БАТЫтН АМИРДШОВЙЧ

ЭКСЙМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ И ЖОГОКВАШШхЕ ПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ И ДИСС01ЩАЩИ ДВУХАТОМНЫХ МОЛЕКУЛ

(специальность 01.04.21 - лазерная физика)

А. В ТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фшзжо-матвматических наук

Ташсент-1993

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ОТДЕЛ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 621-373-826-03&826; 535.338.43

АЗЩДЖАНОВ БАТЫРЖДН АМИРДЖАНОВИЧ

ЭКСИМЕРНЫ2 ЛАЗЕРЫ И МНОГОКВАНГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ И ДИССОЦИАЦИИ ДВУХАТОМНЫХ МОЛЕКУЛ

(специальность 01.04.21 - лазерная физика)

•АВТОРЕФЕРАТ диссертации: на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ташкент-1993

- ь -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ Актуальность теш лкссертащш. в настоящее время одним из наиболее мощных источников когерентного ультрафиолетового излучения служит ряд лазеров, называемых эксимерными. Преимущественно, активпой средой эксимерных лазеров является газообразная среда, накачку которой производят традиционными способами, либо жестким ионизатором, либс импульсным поперечным разрядом. Во многом способы накачки эксимерных лазеров схожи с теш, которые существуют для других типов газовых лазеров, например, сог лазеров.

Взаимосвязь многочисленных каналов реакций, по которым : происходит инверсная заселенность лазерного уровня в эксимерных лазерах предопределяет особые требования к источникам возбуждения. Для лазеров, накачиваемых поперечным электрическим разрядом важную роль играет пространственная однородность разряда в поперечном сечении, т.к. она определяет такие параметры лазера, как выходная энергия, однородность излучения, спектральная ширина линии генерации, длительность импульса. Баланс плотностей ионов и электронов в стадии развития поперечного разряда будет определять устойчивость, т.е. однородность разряда в период протекания . тока. Этот баланс зависит от ряда факторов: от степени концентрация начальных электронов в междуэлектродном., промежутке, от скорости нарастания напряжения на электродах, от состава газовой среда. Варьируя эти параметры можно управлять характеристиками излучения эксимерных электроразрядных лазеров.

Для эксимерных лазеров, накачиваемых ленточными пучками электронов существуют свои ,особенности. Например, вследствие высоких давлений газовой рреды необходимо обеспечить высокую энергию электронов для увеличения проникающей способности. Кроме того, необходимо обеспечить высокую пространственную однородность ленточных пучков электронов в течение импульса накачки, так как этот параметр будет существенно влиять на пространственную однородность формируемого излучения и на это выходную эноргию.

Следует отметить еще один аспект изучения работы

промежутке.

- Впервые экспериментально показано, что при поглощении шлекулгами н, и п^ излучения эксимерпого хесх* лазера зависимость числа образовавшихся ионов от интенсивности язлучепия имеет вид 1дм = з/з 1д1. такой ход зависимости обусловлен насыщением каскадного процесса многофотонного поглощена., в результате которого происходит образование молекулярного иона и последующая его диссоциация.

Научная и практическая ценность работы. Результаты работы могут бмть использованы для анализа и интерпритации экспериментальных данных по изучению многофотоннмх переходов » в двухатомных молекулах. Их ценность определяется тем, что ' подучены простые аналитически выражения, описывающие зависимости вероятности переходов от интенсивности излучения зксимерных лазеров в области насыщения каскадного процесса.

Результаты работ по исследованию процессов взрывной этссш практически могут быть применимы при создании генераторов ленточных пупсов электронов ' с высокой пространстесннйй однородностью.

Созданный малогабаритный электроразрядный эксимерный лазер и проведенные на ном исследование по оптимизации газового состава активной среда имеют практическое значение при создании щюмышленпыг. образцов зксимерных лазеров.

Поло,тения, вычоскмье на защиту:

1. - Увеличение выходной энергии излучения й продолжительности непрерывной работы лазера путем добавки небольшого количества молекулярного водорода в активную среду эксимерного хеС1* лазера.

2. Использование индуктивно связанных взрывных катодов, позволяет значительно ^повысить пространственно-временную однородности формируемых электронных пучков, применяемых для накачки газовых лазеров.

3. Насыщение процесса нелинейного поглощения излучения эксимерпого Хесг* лазера молекулами нг и Рг в области взаимодействия вследствие высокой вероятности четырехфгтонного поглощения, а также каскадный механизм образования молекулярных г атомарных конов.

Апробация работы. Основные результаты работы

В работе приводятся результаты исследований взрывоэмиссионннх катодов трех типов. Катода испытнвались на экспериментальной установке, включающей в себя генератор импульсных напряжений с запасаемой энергией 2,5 кДж и напряжением 250 кВ, а также вакуумный диод, в котором происходило формирование электронных пучков. Исследовались катоде трех типов, для каждого из них сняты вольт-амперные характеристики и проведено измерение пространственного распределения плотности электронного тока. Измеренные вольт-амперные характеристики подчинялись закону "3/2", это позволяет сделать вывод, что катоды работали в режиме • взрывной эмиссии. Наиболее пространственно однородный пучок обеспечивал катод, выполненный га графитовых стержней, для него значение пространственной неоднородности по сечению было не выше 10%. При этом полный ток электронов достигал 1500 А, при ияотности тока 30 А/см2.

Приводятся результаты исследований работы индуктивно связанных Езравнкх катодов.Представлена теоретическая модель поясняющая принцип стабилизации амплитуд электронных токов генерируемых индуктивно связаншйш катодами. Прйводятся экспериментальные данные по испытанию' двух индуктивно связанных острий - эмиттеров; Подучено значение пространственной однородности электронного тока на уровне 3-5 % при плотности 13 А/ем*. Показано, что возможна пространственно-временная стабилизации электронного тока, при сколь угодно большом количестве индуктивно связанных катодов. ,

Вторая глава диссертационной работы посвящена описанию экспериментов но созданию , и оптимизации аяектроразрядаого зксимерного лазера. -/¡^

В частности затронут ряд вопросов связанных с обеспечением необходимого значения концентрации начальных электронов в меадуалектродном промежутке. Известно,что этот параметр является важнейшим для поддержания _ объемного стационарного разряда. Приводятся известные из теории зависимости плотностей электронов и ионов в плазме разряда от начальной концентрации электронов. Высокая плотность начальных электронов необходима для обеспечения

Огмечено, что небольшие добавки водорода, порядка одного процента, увеличивают энергию излучения на 15% и продолжительность непрерывной работы лазера без смены активной среда. Приводятся возможные каналы реакций, приводящие к подученным результатам.

Третья глава работы посвящена изучению процессов многофотонной ионизации и диссоциации молекул водорода и дейтерия в поле излучения зксимерного лазера на молекуле

ХеС1* .

Приводится описание "экспериментального комплекса и методика проведения эксперимента. Источником излучения служил алектроразрядаый эксимерный лазер на молекуле хеа*. Энергия излучения достигала 15 мДж при длительности на шлувысота 30 нсек. Ослабление' • излучения производилось калибровочными ослабителями. Мощность регистрировалась измерителем Ж0-2М, а длительность скоростным фотокатодом. Пространственный профаза, излучения регистрировался по отпечатку на фотопленке. Фокусирущая линза с фокусным расстоянием 65 мм, установленная на входе в к&меру взаимодействия, обеспечивала в фокальном объеме интенсивность порядка Ю^Вт/сМ2. Для регистрации образовавшихся . ионов использовался времяпролетный масспектрометр с разрешением около 50. Одновременно измерялось две величины - энергия излучения и амплитуда ионного сигнала. Для каждого значения энергии бралось 10 измерений зависимости 1ды =* к вд .

При обсуждении подученных экспериментальных результатов приводятся возможные каналы образования ионов н;, н\ о*, а*. Образование молекулярных ионов н* и о* происходит при поглощении четырех фотонов излучения хеС1*лазера. Далее, при поглощении дополнительного фотона происходит диссоциация иона н* и образование ионов н*. Такая последовательность процессов наиболее вероятна, поскольку другие каналы образования регистрирующихся ионов требует большого числа поглощаемых квантов, а следовательно маловероятны. 3 пользу этого утверждения говорит тот факт, что при малых значениях интенсивюстей (в интервале до 10°Вт/см2) происходит, в основном, образование иошв н*,

- II -

2. Подучено увеличение выходной энергии хесх* лазера на 15% и увеличение продолжительности непрерывной работы лазера при добавлении небольших количеств водорода в активную среду. Показано, что добавка водорода должна компенсировать развал молекулы на путем рекомбинации ионов водорода, и хлора, а также способствовать колебательному возбуждению молекулы нс1 и более быстрому охлаждении электронов.

3. Разработан малогабаритный электроразр.тдный экслмерный хеС1*лазер. Проведены работа по изучению влияния состава газовой среды на выходные характеристики лазере. Показано, что использование неона в качестве буферного газа, по сравнению с гелием, эффективно лишь при больших (>1-5 атм.) давлениях неона. Кроме' того, установлено, что использование аргона в четкрехкошонзнтных газовых средах не—Хе-Аг—нс1 эффективно для давлений аргона з пределах 500-1200 мм.рт.ст., что объясняется согласованием импевданса разрядной цепа и импеаданса источника накачки.

4. На базе электроразрядкого зксшерного хесг* лазера создан экспериментальный комхлекс по исследованию многофотонных переходов в двухатомных молекулах, в частности, в молекулах н2 и вг. Измерены выхода молекулярных и атомарных ионов в зависимости от интенсивности излучения в области фокуса. Наблщдалась четыретфотоиная ионизация молекул нг и в области насыщения с последующей диссоциацией молекулярного иона. Показано, что наблюдаемая степень фотонности к =з/2 объясняется увеличением числа ионов в области насыщения процесса поглощения вследствие увеличения объема взаимодействия.

- 13 -

ЭКСИМЕР ЛАЗЕРЛАР ВА ЙККИАТОМЛИ МОЛЕКУЛАРДА . КУПКВАНТЖ ИОЮ1АШШ ВА ДИССОЦИАЦИЯ ЖАРАШИ

Азимдканов Б.А Аннотация

Диссертацияда электрон тэзлатцичлар физикаси,

электроразряд лазерларниягГяратиш ва уларшшг парамзтрларни оптималлаш буйичз ва шу каторда водород ва дейтерий молекулаларни эксимзр хеС1*-лазернинг купквантли -нурини сиигдириш буйича тадедаот натижалари келтирилган.

Газ лазерларнинг1 муг^тини •Вд'зратяш учун куллгнадаган лентасимон электрон богламни яратиш масалалари куриб чщшгган.

Куйдаги параметрли лентасимон электрон богламалар досил £{илишга муофщ оулиэди: электронлар энергияси 250 кэВ, тула ток кучи 1200 А, ток зичлигк 30 А/см2, токнинг вацт узунлиги 260 не-дан ошмейди, электрон токнинг фазода Оир хил булмаслщ даражаси Ю % дан юцори булгаии йук-.

Эммитер-найзалар оралигидаги мусбат индуктиь алоцали гортлэш орчали эммиссия циладиган катод сийовдан утказалган ва тавсия кюшнган.

Кичик хажимли электроразрядаи эксимер хеС1* - лазер яратилган. Лазер нурининг чщиш курсатцичлари куйдаги тулщин узунлиги 308 нм, бир импульсдаги энергия 30 мДж, нурнинг вакт узунлиги 30 не. Ясси-параллел резонатор учун айрилиш бурчаги 4*6 мрад-га тент. Лазернинг уч ва турт компонентой газ мухитнинг тарцибини оптима.члаш буйича тадаицот' ишлар утцазидда. Уз тарщбига водород кушилган турткомпонентли не-хе-нга-н2 хвС1* -лазернинг актив му^ити тавсия килннган. Тавсия этилган оптимал шароитлар на ва нг парциал босимлари тент булган холат. учун олинган.

Лазер нурининг чичиш энергияси 15 фоизга ошгани ва тарцибида гэели водород булган турткомпонентли газ аралашма музугтли лазернинг узуликсяз ишлаш вацти купайгани кузатилган.

хес\* -лазер нуринккг таъсири асосида водород за

- 15 -

THE EXCIMER LASER AND KULTIQUAN7UN PROCESSES OF IONISATION AND DISSOCIATION OF TWO-ATOMIC MOLECULES

; . B.A. Azimdjanov

Summary

The rssults are presented of the ^-investigations on physics of electron . jjCcelerators on creation and optimisation of elecfcrodisharye lasers parameters and also on multiphoton absorption of eximer XeCl laser radiation by hydrogen and deuterium molecules.

The problems are consideved of intense ribbon beams of electrons intended for gaseous laser pumping.

: The ribbon beams of electrons uith following parameters are .received: electron energy - 250 IceV, full current -1500" "A, current denrity - 30 A/smz, pulse duration up tc 250 nsec, degree of spatial unhomogenity of electron • current was not more 107..

The explosive . emission cathode with positive inductive coupling between the points-emitters was created. The degree of spatial unhomogenity of electron current was not more 3-5%, current density - 18A/sm2.

The output radiation parameters of electrociischarge X<=C1 laser are as follows: wavelength . - 308 nm, pulse energy - 30 mj, pulse duration - 30 nsec. The divergence for parallel plane resonator - 4 * .6 mrad. The investigations of composition optimisation of gaseous laser ipedium either for

three-components as foui—components active media were

■ * *

carried out. The foui—components active medium of XeCl laser was proposed, including hydrogen He-Xe-HCl—H . Such optimal conditions were received at partial pressures equality of HC1 and H . The increase output radiation energy on 15X and the increase of the duration of continuons laser operation without gaseous, medium for four-components mixture with gaseous hydrogen were detected..-

Multiphoton ionisation and dissociation. of molecular hydrogen and deuterium XeCl* laser was investigated. The