Характеристики XeCI лазеров и лазеров на переходах Xe*, возбуждаемых сильноточными электронными пучками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Обзор исследований по возбуждению XeCI лазеров и лазеров на переходах Хе* электронным пучком.II

§ I. Лазеры на молекуле XeCI.II

§ 2. Лазеры на переходах Хе*.

Глава П. Экспериментальные установки и методика измерений.

§ I. Электронный ускоритель.

§ 2. Электронная пушка с большой апертурой пучка.

§ 3. Лазерные камеры.

§ 4. Методика измерений.

Глава Ш. Измерение параметров электронных пучков.

§ I. Характеристики сильноточного электронного пучка.

§ 2. Характеристики электронного пучка большого сечения.

§ 3. Формирование электронного пучка большого сечения.

§ 4. Распространение пучка электронов в активной среде газовых лазеров.

Глава 1У. Исследование XeCI лазеров.

§ I. XeCI лазер с возбуждением интенсивным электронным пучком.

§ 2. Характеристики XeCI лазера большого объема.

§ 3. Ширина спектра в эксимерных лазерах.

Глава У. Лазеры в ближней инфракрасной области на переходах Хе*.

§ I. Исследование лазера на переходах Хе*, возбуждаемого микросекундным электронным пучком.

§ 2. Инфракрасная генерация на переходах Хе* при наносекундном возбуждении.

Наиболее мощные эксимерные лазеры на молекулах ХеСЕ , XeF и KrF , формирующие импульсы излучения в ультрафиолетовой области спектра, могут быть широко использованы при проведении различных исследований. Возможными областями их применения являются: лазер-* ный термоядерный синтез, обработка поверхностей ( например, отжиг полупроводниковых материалов), возбуждение мощных перестраиваемых лазеров на красителях.

Создание эксимерных лазерных установок с высокой энергией для ЛТС наталкивается на определенные трудности. Прямое усиление наносекундных импульсов, используемых для проведения экспериментов по ЛТС, является эффективным лишь при длительностях возбуждения среды, сравнимых с временами жизни верхнего лазерного уровня. Поскольку последние составляют ~ 1СГ®с, для создания усилителей необходимо исследование эксимерных лазеров, возбуждаемых импульсами соответствующей длительности. Наносекундное возбуждение больших объемов оказывается технически сложной задачей, и в качестве одного из вариантов схемы прямого усиления предлагается последовательное усиление ряда наносекундных импульсов, входящих в усиливающую среду под различными углами с последующим сведением их на мишень i] . Одновременность облучения мишени достигается с помощью оптических задержек. При такой схеме длительность импульса возбуждения может быть увеличена до сотен наносекунд. Существенным препятствием, стоящим перед прямым усилением импульсов, является потеря энергии за счет сверхизлучения и генерации на диффузно рассеивающих поверхностях при большой длине активной среды и высоком коэффициенте усиления ( ^ 1(Г*см"*). Появившиеся в последнее время работы [z] указывают на существование растворов красителей, обладающих свойствами насщающихся поглотителей в ультрафиолетовой области спектра, на основе которых возможна разработка ячеек оптической развязки.

Представляется реальным формирование мощных наносекундных импульсов с помощью вынужденного комбинационного рассеяния. В не» которых работах [з] [4] указывается, что к.п.д. ВНР - преобразования достигает величины 40 * 70%. К настоящему времени разработаны проекты экспериментальных установок [б] и проведены пред* варительные эксперименты по формированию и усилению импульсов с использованием ВНР [б] . Заметим, что для ВКР могут быть использованы эксимерные лазеры с длительностью импульсов излучения десятки и сотни наносекунд с высокой энергией в импульсе, что требует создания и исследования лазеров с большими объемами активной среды.

Существуют три основных способа возбуждения эксимерных лазеров. Первый способ - быстрый разряд с ультрафиолетовой предиони-зацией [7] , наиболее прост и является предпочтительным при возбуждении небольших ( ^ I ♦ 2 л) активных объемов. На его основе были разработаны эксимерные лазеры импульсно-периодического действия. Возникновение неустойчивостей в разряде при увеличении межэлектродного расстояния ограничивает его возможности по возбуждению больших объемов, поэтому для возбуждения активных объемов ( 10 * 100 л) и более используются электронный пучок [8 ] и разряд, контролируемый электронным пучком [9] . Эффективность этих трех способов примерно одинакова, но при применении двух последних может быть достигнута более высокая однородность возбуждения.

Среди наиболее мощных эксимерных лазеров ( XeF , KrF и XeCt ), лазер на Хе Ct имеет определенные цреимущества. Во-первых, используемые хлороносители являются химически менее агрессивными, чем фторосодержащие компоненты эксимерных смесей, и позволяют вести длительную работу в импульсно-периодическом режиме без замены рабочей смеси при незначительном ухудшении энергетических характеристик [ю] . Во-вторых, известные оптические материалы имеют более высокую лучевую стойкость к излучению XeCt лазера с длиной волны 308 нм по сравнению с 250 им ( KrF ) [il].

При исследовании лазеров на галогенидах ксенона наблюдает** ся сопутствующая инфракрасная генерация на переходах Хек [l2] . Можно полагать, что исследование инфракрасной генерации в двух-компонентных смесях инертных газов позволит получить определенную информацию о кинетических процессах, которая окажется полезной применительно к эксимерным лазерам.

Мощные лазеры на переходах Хе*, излучающие в ближней инфракрасной области спектра, могут найти применение в физике полупроводников, так как их излучение позволяет воздействовать на внутреннюю структуру полупроводниковых материалов, которые, в большинстве своем, прозрачны на длине волны 1,73 мкм. Другой возможной областью использования этих лазеров является оптическая связь или локация из-за наличия в атмосфере п окна прозрачности11 в диапазоне длин волн вблизи 2 мкм [13] .

К началу настоящей работы лазер на молекуле Хе Ct был наименее изучен по сравнению с лазерами XeF , KrF . Кроме того, практически не были исследованы лазеры на переходах Хе5*, возбуждаемые электронным пучком.

В Институте Атомной энергии им. И.В. Курчатова работы по исследованию эксимерных лазеров и лазеров в ближней ИК области на переходах Хе , возбуждаемых электронным пучком, были начаты в 1978г.

Целью настоящей диссертационной работы являлось:

1. Разработка и создание мощных XeCt лазеров, возбуждаемых электронным пучком.

2. Экспериментальное исследование характеристик XeCt лазеров и активной среды при различных плотностях тока пучка и длите** льностях возбуащения.

3. Исследование генерации на переходах Хе3* в ближней инфракрасной области.

На защиту выносятся;

1. Результаты экспериментальных исследований XaCt лазера, возбуждаемого электронным пучком длительностью 25 не с плотностью тока до 150 А/см :

- радиационное время жизни нижнего колебательного уровня состояния В составляет II + 3 не; и *

- интенсивность насыщения в Хе Ci лазера пропорциональна давлению в диапазоне 1,5 * 3,5 ата;

- коэффициент усиления слабого сигнала практически не зависит от давления в диапазоне 2 * 3,5 ата;

- достигнута мощность генерации 0,5 ГВт.

2. Результаты экспериментальных исследований XeCt лазера с активным объемом ~ 20 л, возбуждаемого электронным пучком длительностью 10"^с и плотностью тока до 40 А/см**:

- коэффициент усиления слабого сигнала пропорционален плотности тока пучка электронов;

- интенсивность насыщения не зависит от концентрации электронов в активной среде;

- впервые достигнута энергия генерации 100 Дж.

3. Результаты экспериментального исследования лазера на переходах 5d - бр Хе35:

- при наносекундной накачке генерация наблюдается после импульса тока пучка и ее энергия пропорциональна величине ионизационных потерь быстрых электронов; с

- при возбуждении пучком электронов длительностью 10 с генерация происходит в течение импульса накачки, обнаружена оптимальная плотность тока пучка, при которой мощность генерации имеет максимум;

- получена энергия излучения 25 Дж на длине волны 1,73 мкм.

Научная новизна работы

1. Экспериментально исследованы основные характеристики активной среды ХеСi лазера с возбуждением электронным пучком. Определены зависимости интенсивности насыщения, эффективности образования молекул Хе tt , коэффициентов усиления и поглощения от условий возбуждения. По экспериментальной зависимости интенсивности насыщения от давления определено радиационное время жизни верхнего лазерного уровня.

2. Получены параметры генерации ХеС Е- лазера, сравнимые с аналогичными параметрами лазера на молекуле KrF : удельная энергия генерации « 10 Дж/л, к.п.д. ~ 5%. Достигнуты мощность генерации 0,5 ГВт и полная энергия излучения 100 Дж.

3. Для лазера на переходах 5d - бр Хе* обнаружена оптимальная плотность тока накачки, при которой удельная мощность генерации достигает предельного значения.

Практическая ценность работы

Создан ХеСЕ лазер с энергией 100 Дж, который успешно применялся в экспериментах по взаимодействию ультрафиолетового излучения с поверхностью. Полученные при исследовании ХеС& лазеров данные послужили основой для разработки конструкции эксимерного лазера для проведения экспериментов по ЛТС. Уточнено радиационное время жизни нижнего колебательного уровня состояния В молекулы ХеС£ , что имеет важное значение при анализе генерации и усиления в XeCl лазерах.

Показана возможность создания наносекундного задающего генератора в ультрафиолетовой области спектра при использовании электрооптического затвора с полупроводниковым коммутатором.

На основании исследования инфракрасной генерации лазера на переходах Хей, возбуждаемого электронным пучком, установлены оптимальные условия возбуждения, знание которых необходимо при проектировании мощных Хе* - лазеров, излучающих на длине волны 1,73 мкм.

Апробация работы

1. X Всесоюзная конференция по нелинейной и когерентной оптике, Киев, 14-17 октября, 1980г.

2. The In-iemoiionoi Conference on Losers, User - USA, December /4-/8 , /98/.

3. Ш Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", Ленинград, 4-8 января, 1982г.

4. 1У Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Новосибирск, март-апрель, 1982г.

5. П Всесоюзное совещание по хемилюминесценции и эксимерным лазерам. Ужгород, сентябрь, 1982г.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

Результаты работы позволяют с помощью элементарных расчетов прогнозировать параметры мощных ХеСЕ. лазеров с накачкой электронным пучком. На основании проведенных экспериментов разработана конструкция ХеСЕ лазера для проведения экспериментов по JITC.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность научным руководителям Д.Д.Малюте и А.П.Стрельцову за постоянное внимание, помощь в постановке экспериментальных задач и обсуждение результатов; В.Ю.Баранову и Ю.Г.Красникову за поддержку работы; В.А.Адамовичу, И.В.Новобранцеву, Д.В.Гай-даренко, И.М.Исакову, А.Г.Леонову за помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатов; А.П.Напартовичу и В.В.Лихан-скому за полезное обсуждение вопроса о ширине спектра в эксимерных лазерах и проведенный теоретический анализ, А.Н.Старостину за ценные замечания, высказанные после прочтения рукописи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении кратко укажем основные выводы и результаты диссертации.

1. Распределение плотности тока в сильноточном электронном пучке большого сечения ( I ~ I04 А , £ Ю3 см^) в основном определяется фокусирующим влиянием собственного магнитного поля пучка в условиях полной или частичной компенсации объемного заряда пучка ионами плазмы, образуемой пучком в ускоряющем промежутке.

2. Интенсивность насыщения в XeCt лазере не зависит от плотности тока пучка и прямо пропорциональна давлению активной среды.

3. Предложена методика определения малых времен жизни экси-мерных молекул и измерено радиационное время жизни верхнего лазерного уровня молекулы ХеС£ , которое близко к расчетному и составляет II £ 3 не.

4. Показано, что коэффициент усиления в ХеСЕ лазере слабо зависит от давления при Р > 2 ата.

5. Достигнуты энергия излучения 100 Дж при удельном энергетическом выходе 10 Дж/л и мощность генерации 0,5 ГВт при к.п.д.

6. Показано, что на ширину спектра генерации в эксимерных лазерах существенное влияние оказывают нагрев среды и вращательная релаксация верхнего уровня. Получены приближенные зависимости ширины спектра от параметров резонатора и активной среды, которые хорошо согласуются с результатами измерений.

7. Обнаружено существование оптимальной плотности тока пучка электронов, при которой наблюдается максимальная интенсивность генерации лазера на переходах 5d - 6р Хе*.

8. Достигнута энергия инфракрасной генерации 25 Дж при максимальном удельном энергетическом выходе 1,4 Дж/л.

1. X.X£u/c/?j f AJ./foQfj XC fu/ш^е / <?.!/. бъогре а/со/

2. PryoAe. fc/&e Солу&гмог Jyffe/??s /or1. User X of tot

3. Tkotr?as f/arg/iese. Teynfora? {цп/и^ of /е№ -£<2s-er fi/fse 'from -£o ^Ьак £00ffsaJe/raJ/e a/for/er #/>/><?. ftys.

4. Л. A Jbce/f; X.&o/efAar, Q.&merS, УЛ

5. X.£. frt/rrajf. /XyjL eftfc/etcy etceryy erfreeс* и/arc/- к/йve fia^e* fc^-ft-ersty.ff>£ PAyr- Sert., 37&J, /Г&, />/>.

6. MQ^ecs. £c?c£и/arcf Aamatc ce/n^r-ess/c?*. of /aser ^c/fse Sn //663

7. P/urray f 2 £o£/Aarf ЪбГюег/ £ S?o£e.1. PesSe of /aserf f>rarer Pc/f/ott. Xfff X. of фс/а*?£ / л/а /979, />/>.

8. X/2. Murray / агУ 4. . u/a/W Яотал gar'/? e/?ff far faser scorterec/ CA^ .

9. Toy&r Ша/p^tfe У Я&ееб fey/g/jerj г/.У. fr-e/o/y/sec/ C<o/?fte?ses>r (?/?*/ tVas/u^to* Ъ.С. /О'/21. Xwe 128. 0. £. t X.S, **</ ft?./. Ma**9/&.1. Ъл о/ /е Г/.

10. Ю.И.Бычков, А.И.Горбатенко, И.Н.Коновалов, В.Ф.Лосев, В.Ф.Та-расенко. XeCI и XeF лазеры с комбинированной накачкой. Квант, электр., т.б №10, 1979, стр.2103-2108.

11. Ус/рл/,f,с f*sfrcs/7?e"/s ? /924,/>/>*63%.

12. Справочник по лазерам /Под редакцией акад. А.М.Прохорова. М., Сов.Радио, 1978.

13. XX ££ Srac/ /ases* e?c//'or> e>r?6/ге ^JEI^ — offtp/: Mys. , /?Г/Г/ yp. 3SO-SS2.15. £>. X Уеегс/ алг/ Ф. 77г*е ее>/?г?/У?с/ое*з c?&o/y6//os? jfiec/ro ofe/or//?e ^ /row's?-e / /го

14. Л*//?*? cAforc'e/e , c'ocA/r?e cA&r/t/e с?/?е/ tocA//?e

15. G-.f.T/sove f W./fo/fr?**, Д fames . JlucA/es

16. S^sife/r? & ■/ ^yc/'/a -//'OK rates Miv/jfr* t Co/?*/*, -fas-erj' arc/ МУатА/г^т/оп fo-fe1. X/fJ^.

17. Н.Г.Басов, В.А.Данилычев, О.М.Керимов, А.И.Миланич, Т.С.Ха-чапуридзе. Исследование характеристик разрядного XeCI лазера с ионизацией электронным пучком малой плотности. Квант, электр., т.10, №3, 1983, с.643-646.

18. С Я. fe/vforc/s: ; fo'fie/f/ or У 977. У. Mow.о/о? е б/сА/оА/ог rare -AoA^Wese>rs. /9to1. Jbjb 6/?- 620.

19. X Bickkov , ЖУ. GoriHe/»Ao t \Af loses , 977eryar€s on</ Тага sen £0. £ffec//ve /гС£loser fer/ormonce corcA/A/'o/is wi/A, согл^/ЪесА

20. AjoA. Сог?/к>. 1/.30. f 2г 6.

21. У. Te££,'/)(fkuti<>n atjof ftlcVeeven . crc/ering of lAe & aide spates m АеСё, /еЗг о^У jtrCA* fro/77 i(e/ry^raAur-e cAef-eno/ertce. of em/'s Wonspertno. CAe/r>. PAyi. Aett. ъА T£ , /98о / 94- 99.

22. Sur f 4/?o/ TeAAiMgkuif-en. Ш& fa&c/ts. X of Wo Ac. Sfec/roscofy ,

23. Аевт уЬс/гтуЬео/ /еСА. CA-e/r?. AAys. Ает5£. i/.AS,о.З / ^

24. SP. M/i^com^ /?. fcc/ps? Ad/r?. ^емг-еяо/эсзп / co&S/on /xc/vcet/ Q&orjbJior? fa Ae /Су. cAesr?. pAys. * ^ т-t, f>/>. cm-6m.

25. AX ftt/jov f Уо.£ IcysAery o„cA

26. А. И (?t/ry/ch , cAe/ecf/or> of cAce/v/cqA* raa/paA/ve coP^/ons /s? . CAery?.1. Pkys. AeAt, к/3, /p.

27. Soem влв/ У. мл </er <P/sAr*a. Ул/<?maS-fcu far y>oAer>A/c?£ <a)eA?f cAe^AA from AAe -le/rpfira/urec/e^*/?o/e/?ce of AA-e otfsorfA/on sfec/ra of-fAase co/^^ex-es //? ficP gas /?7/x/<s1. X CAery?. PAys. &**,/>/>.

28. Эксимерные лазеры (под ред. Ч.Роудза).М.,Мир, 1981,245 с.

29. В.Н.Лисицын, А.Р.Сорокин. Механизм импульсной генерации электроразрядного Аг Хе лазера высокого давления. Квант, электр.,т.8, №4, 1981, с.2425-2432.

30. FX Cesser f PXe&rt/e , ft?. fito/S/el t 9/7/cAon.pfft'c/trcy y^frarea/ /е/ios) /eaer efxes'/et/ Jy 0/7 C/Af fr^/on/sec/ aZ/scAar^e. 7FSS ^ of Qc/orf. cSjef. к t?f-/9/ /923 №.9- U5S

31. А.Р.Сорокин. Механизм импульсной генерации электроразрядных ИК лазеров высокого давления на смесях Не-Аг ,Кг,Хе. Квант.электр., т.10, №2, 1983, с.308-318.

32. В.Н.Лисицын, А.Р.Сорокин. Злектроразрядный Аг -Хе лазер высокого давления на ИК переходах ксенона. Письма в ЖТФ, т.5, 1979, с.876.

33. А.Г.Верхогляд, Г.В.Кривощеков, П.Ф.Курбатов. Обнаружение неупругого канала столкновений,инициируемого гелием,меадусостояниями возбужденного Хе 5о1 3/2. j и 5о| [7/2] g . Письма в ЖЭТФ, т.34, вып.8, 1981, с.434-437.

34. Н.Г.Басов, В.А.Данилычев, Н.Н.Устиновский, И.В.Холин, А.Ю. Чугунов. Генерация на длине волны А 1»73 мкм в смеси

35. Аг :Хе при накачке электронным пучком. Письма в ЖТФ, т.8, №10, 1982, с.590-593.

36. XJ.lwio/? / У.&. Я/'скаЫ? f fiefrmcm f LjpecH 0ie/ деГелу>& . ТЛе kf'cfb Jbresst/re t?euiraA> infrorec/ xenon £o?er, Piys. no.

37. Мощные импульсные источники ускоренных электронов /Под ред. д.ф.м.н. Г.А.Месяца. М., Наука, 1974.

38. В.Ю.Баранов, Р.К.Бевов, В.С.Межевов, А.Н.Старостин, И.В.Но-вобранцев, Ю.Б.Смаковский, А.П.Стрельцов. Импульсный С0^-лазер с комбинированным сильноточным разрядом.Москва, 1974, 19 с.( Препринт/Ин-т атом, энергии ИАЭ-2431).

39. V.f.Wren. Qfipf. Sjbec/roscofy, i/. 34, по 6гтО ; jo. 62/.

40. Таблицы физических величин / Под ред. акад. И.К.Кикоина, М., Атомиздат, 1976, с.640.

41. А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский. Техника и практика спектроскопии. М., Наука, 1976, с.257.

42. Ю.И.Бычков, В.Ф.Лосев, В.Ф.Тарасенко, Е.Н.Тельминов. Мощная генерация в смеси Аг :Хе при возбуждении пучком электронов микросекундной длительности. Письма в ШТФ, т.8, вып. 14, 1982, с.837-840.

43. В.А.Добрецов, Н.Г.Гамаюнова. Физическая электроника. М., Сов.радио, 1972.

44. Зе^е ^ £// ?oco£ . Я/ffvs/on of fa/ •e/ec/rors /ft /Ae jbreserce of as? еЛес/r/с fieА/. PAys. pes l к JT m/fjb/>. №2-/963.60# C.Cazo/? f perk/ns ; A.//. Verjk/iei£-er t J.Duc/er-f/oo £ -/eQsT? J^>reo(//op оно/ Aesi////*^

45. Fiefof tfar/altors />? CO^ Lager P/osrr?os. AlAA.no J, /9/7, ff.

46. Микаэлян А.Л., М.Л.Тер-Микаелян, Ю.Г.1Урков. Оптические генераторы на твердом теле. М., Сов.радио, 1967,с.252-302.

47. В. berthf I Vite, V.cfrQficfento , I/. fTliкке&оо, St. Tsq. re л/о.

48. PotftrLio* Spee/roicof>y /г? a/t'schQrgeeye/tec/ /eC£ -e/c//r?er losers. Cos?/. Aosers

49. Tec An. Pop, WQsA/*fion /3. For/q/re. / A Forest/ег щ A//<fA- s/ec///c Jbotf/er -fontp-pcr/se -differsor?/c f?ous fa&er* q/fyft- PAys./e//; i/.Зй ,s?o3f mo ff.tff-W.

50. D. tf/gger t Дов.е/?£егр os?& fiofcoi, <fPec/ror> o//ocAsr?e/?-/ fy сЛ/or/he c/ospors /г е- /еят jbw^ec/ t/bser /z>/yfores. / P/iys.77, rwj\ №2, pf>. 3452-3465.

51. РЛ.Cor hum о it/ f. Ttiyfor. Р/cosecospc/ f'COt/or Ore/ Лиа/zes of /4Cf. 7£f£.

52. X of {Pea*?. * Г70 // /?8г,pp. тг- 7<?75-.66. /TJ,i/. Grafter? t H.f/.Z. Шchin son or? о/ J. Tkonoi. V/ traitono? r-e/hxef/on siuoffes tn ePec/ror ere,/-7ее/ MrF* Cfi. Сот/я. с/. 39, ro?, /9M,pp. 303-306.

53. O.L Bouroe and Q.^.Q^cock . The, l/cSrai/orae fte^axd//on J/me Cors/ar/ for -Ike £>nr^0of Art? &/>/>if. My*. A, , 79S5jpp. /93-№.

54. CAerr?. PAys. </ io, , /9В4, pp. 6oo£> 60/9.72. //.y.Os&orr? or>c/ i/.g, *fr?;-H-e£s/Qcf/. Pecorn-iino. -t/or? coeff/c/er)/ of rr?o/ecc//hr rare-gasio/?s. Pkys. «/. f52 , *965 f f>f>. Ш5*- /454.

55. Vamcwfa t To-ikifurni l/osama Qnof7okо/т? (?/? ee/fi/e/y /тгос/е /еС£ -faser.

56. Of tics s?} /9*4; ff. 3S-3?

57. Р.В.Арутюнян, В.Ю.Баранов, Л.А.Большов, акад. Е.П.Велихов, И.М.Исаков, A.M. Ковал евич, А.Г.Леонов, И.В.Новобранцев,

58. В.Д.Письменный, Ю.Б.СмаковскиЙ, Ю.Ю.Степанов. Разрушение металлов при лазерном пробое на границе раздела с жидкостью. ДАН СССР, т.273, №6, 1983, с.1364-1367.