Исследование систем возбуждения и возможностей создания лазеров в дальнем ультрафиолетовом диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО КОРОТКОВОЛНОВЫМ ЛАЗЕРАМ.

§1. Введение.

§2. Методы прямого получения когерентного излучения.

2.1. Возбуждение электронным ударом о основного состояния.

2.2. Рекомбинационное возбуждение.

2.3. Перезарядка атомарных частиц.

2.4. Возбуждение с помощью фотопоглощения.

2.5. Лазеры на свободных электронах.

§3. Методы, основанные на нелинейном преобразовании частоты.

§4. Системы с двухэтапным возбуждением.

4.1. Схемы с накоплением энергии на метастабильных уровнях ионов.

4.2. Схемы с накоплением возбуждения на метаста-бильных автоионизационных уровнях.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ НАКАЧКИ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ УФ

ЛАЗЕРОВ.

§1. Злектроразрядный газовый лазер с наносекундной оистемой предионизации.

§2. Газовый секционированный лазер с продольным возбуждением.

2.1. Конструкция и электрическая схема лазера.

2.2. Выходные параметры УФ излучения при использовании молекулярного азота в качестве активной среды.

ГЛАВА 3. ВОЗМОМОСТЬ СОЗДАНИЯ КОРОТКОВОЛНОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДУФ

ДИАПАЗОНА НА ПЕРЕХОДАХ МЕЗДУ АВТОИОНИЗАВДОНШМИ И

ОБЫЧНЫМИ УРОВНЯМИ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ.

§1. Возможность создания столкновительных ДУФ лазеров в смесях гелия с калием.

1.1. Рабочие уровни и вероятности их распадов.

1.2. Плотность атомов в автоионизационных квартетных состояниях калия в плазме.

1.3. Усиление ДУФ излучения.

1.4. Возможность получения прямого усиления.

§2. Возможность получения коротковолновой генерации в смеси Jie-Rê.

§3. Заселение метастабильных состояний лития и натрия в реакциях перезарядки.

3.1. Система Li-L*.

3.2. Система Jia-Jfa.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЯДА В СМЕСЯХ

ГЕЛИЯ С КАЛИЕМ.

§1. Спектр излучения KI в разряде в области 50-80 нм.

§2. Плотность атомов гелия в возбужденных состояниях в смеси с параш калия в импульсном разряде полого катода.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Калибровка регистрирующей системы.

2.3. Характеристики импульсного разряда.

2.4. Измерение концентраций возбужденных атомов гелия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И. ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. За последние годы интенсивно развиваются исследования лазеров, работающих в коротковолновых областях спектра. Значительная часть работ посвящена проблемам создания лазеров, излучающих в дальнем ультрафиолетовом (ДУФ) и рентгеновском диапазонах35, которые могут найти широкое применение в науке и технике: для создания и диагностики плазмы, для микролитографии, топографии кристаллов и т.д. Коротковолновые лазеры дадут возможность создать голографическую микроскопию и методы проецирования изображений биологических и других объектов и различных молекулярных соединений.

В настоящее время в ДУФ диапазоне имеются источники когерентного излучения, основанные на методах нелинейного преобразования частоты. Однако малая мощность выходного излучения и крайне низкая эффективность преобразования лазерного излучения накачки подчеркивает необходимость создания альтернативных источников коротковолнового излучения. Среди различных направлений исследований в этой области, весьма перспективным является изучение новых систем на парах щелочных металлов с целью получения лазерного излучения при радиационном распаде автоионизационных состояний.

Целью работы является:

I. Оптимизация и исследование характеристик электроразрядных газовых УФ лазеров с использованием молекулярного азота в качестве активной среды. х В определении пределов коротковолновых диапазонов в научной литературе существуют расхождения. В настоящей работе к ДУФ диапазону мы будем относить излучение в области длин волн 3-100 нм.

2. Исследование возможностей создания лазеров в ДУФ диапазоне путем заселения автоионизационных долгоживущих уровней щелочных металлов.

3. Изучение спектра излучения разряда смеси паров калия с гелием в области длин волн 50-80 нм.

4. Экспериментальное исследование плазмы импульсного разряда полого катода смеси паров калия с гелием с целью определения концентраций возбужденных атомов гелия.

Научная новизна.

1. В диссертации впервые исследована возможность осуществления ДУФ генерации на парах калия и рубидия путем заселения долгоживущих автоионизационных уровней этих элементов в реакциях столкновения с метастабильными атомами гелия и неона, соответственно. Рассмотрено также заселение автоионизационных долгоживущих состояний лития и натрия в реакциях перезарядки с возбужденными метастабильными ионами этих же элементов.

С помощью лазеров накачки можно получить излучение вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в Д7Ф области при переходах между верхними автоионизационными и нижними обычными уровнями щелочных металлов. Для очистки нижних рабочих уровней, наряду с фотоионизацией в континуум, предложено использовать режим послесвечения импульсного разряда.

2. При изучении спектра излучения калия в диапазоне 50-80 нм в разряде смеси Не-К были идентифицированы две впервые наблюденные спектральные линии, которые соответствуют радиационному распаду долгоживущих автоионизационных состояний калия.

3. Предложен метод определения концентраций атомов гелия на возбужденных уровнях с использованием значений относительных интенсивностей спектральных линий. Этот метод применен для диагностики плазмы смеси гелия с парами калия.

4. Усовершенствованы конструкции и электрические схемы электроразрядных УФ лазеров.

Практическая ценность.

Проведешше в диссертации исследования могут быть использованы для разработки лазеров в области длин волн 20-80нм на атомах и ионах щелочных металлов - Ы , Ма , К » , работающих на основе реакций атомных столкновений или перезарядки.

Предложенные конструкции для УФ лазеров применимы при использовании в качестве активного газа молекулярного азота или водорода, различных эксимерных молекул и т.д.

Метод определения концентраций атомов гелия в возбужденных состояниях может быть использован для диагностики гелиевой плазмы (или плазмы со смесью гелия) при электронных концентрата ТЛ —Я циях пе ~ 10 -10 см , когда модели локального термодинамического равновесия ( Пе Ю16см"3) или коронального равновесия 1012см"3) не дают адекватного описания процессов в плазме.

На защиту выносятся основные результаты диссертации, изложенные в конце настоящей работы (см. стр. 99-100).

Личный вклад автора. В работах [8-ю] автор выполнил измерения, провел обработку и анализ полученных результатов. В остальных работах исследования выполнены автором самостоятельно, с помощью собранных им экспериментальных установок.

Апробадия работы. Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на Международной конференции по лазерам /г.Новый Орлеан, США., 1982г./, XI Всесоюзной конф. по когерентной и нелинейной оптике /г.Ереван, 1982г./, У1 Всесоюзной конф. по физике БУФ излучения /г.Москва, 1982г./, школе-семинаре по лазерам на парах металлов и их применению /г.Ростов-на-Дону, 1982г./, Республиканской конф. молодых ученых по физике /г.Бюракан, 1983г./, IX Всесоюзной конф. по физике атомных и электронных столкновений /г.Рига, 1984г./, П Всесоюзном совещании по физике электронного пробоя газов /г.Тарту, 1984г./, совещании по нелинейной фотоионизации сложных атомов /г.Ужгород, 1984г./, а также на ежегодных Республиканских совещаниях по нелинейному взаимодействию света с атомами, проводимых в ИФИ АН Арм.ССР /г.Аштарак, 1981-1984гг./.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 работ [l-I3].

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 118 страниц машинописного текста, 23 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 155 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Изучены электрические характеристики газовых электроразрядных лазеров специальных конструкций, а также параметры лазерного УФ излучения при использовании молекулярного азота в качестве активной среды. Найдены оптимальные режимы работы электрической цепи разряда предварительной ионизации в газовом лазере с поперечным возбуждением. Конструкция секционированного лазера с продольным возбуждением обеспечивала большие коэффициенты усиления - 300 дб/м в режиме усиления слабого сигнала.

2. Предложены методы создания лазеров ДУФ диапазона на основе столкновительной передачи возбуждения от метастабильных состояний гелия и неона долгоживущим автоионизационным уровням калия и рубидия, соответственно. Заселение автоионизационных уровней позволит с помощью лазерного поля накачки осуществлять процесс ВКР с излучением на длинах волн 60-80 нм. Согласно оценкам, в разряде смеси гелия с калием при плотностях мощностей лазеров накачки 10^-10^ Вт/см2 и концентрациях атомов калия на долгоживущих квартетных автоионизационных уровнях "Ю12см~3 усиление ДУФ излучения составит 0,1-1 см"1.

3. Рассмотрены возможности осуществления ДУФ генерации на парах лития (с длиной волны -20 нм) и натрия ( ~38 нм) в реакциях перезарядки с однозарядными возбужденными ионами этих же элементов. Оценки показывают, что при скоростях ионов 10^-10^см/с будут эффективно заселяться некоторые квартетные автоионизационные состояния лития и натрия, что может быть использовано для получения инверсной населенности между автоионизационным и обычным возбужденным уровнями щелочного металла.

4. Исследован спектр излучения разряда смеси паров калия с гелием в области длин волн 50-80 нм. Регистрация семи спектральных линий атома калия, соответствующих переходам на квартетных автоионизационных уровней, указывает на эффективность заселения этих уровней в плазме смеси Нв~К . Идентифицированы две впервые наблюденные спектральные линии - 69,1 и 77,8нм, соответствующие переходам

3/3 с/45 *Р;а-Зр'6е1 г$

5. С помощью предложенного метода анализа интенсивностей спектральных линий определены абсолютные значения концентраций возбужденных атомов гелия с главным квантовым числом /7=2,3,4 в импульсном разряде полого катода смеси паров калия с гелием. Получено, что с увеличением плотности паров калия концентрация атомов гелия в возбужденных состояниях уменьшается из-за реакций пеннинговской ионизации. Однако, даже при относительно больших плотностях паров калия (Ю^-Ю^см""^), концентрация метастабильных атомов гелия в разрядной плазме достигает тт 19 я

10 -10 см . Это обеспечивает эффективное заселение долгожи-вущих квартетных автоионизационных уровней калия в реакциях столкновения с метастабильшши атомами гелия.