Кинетические модели релаксации электронно-возбужденных состояний молекул в переохлажденной плазме лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 621.375.826

БОЙЧЕНКО Александр Иихайлович

КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЕЛАКСАЦИИ аЛЙГГРОННО-ВОЗБУВДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ МОЛЕКУЛ В ПЕРЕОХЛАЖДЕННОЙ ПЛАЗМЕ ЛАЗЕРОВ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соиск?лие ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Институте общей физики АН СССР.-Научный руководитель - доктор физико-математических наук

С.И.Яковленко

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

А.С.Бирюков - кандидат физико-математических наук А.С.Молчанов

Ведущая организация - Научно-производственное объединение

"Астрофизика"

Защита состоится " " иСС&^тмуа 19%^г. в -/А ~~часов на ааседаюш Специализированного совета N3 в Институте общей физики АН СССР по адресу: 117943, ГСП-1, Москва, В-333, ул. Вавилова, д.38, ИОФАН.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ИОФ АН СССР. Автореферат-разослан

- 4 - 199^

Ученый секретарь Специализированного совета,

.доктор физ.-мат. наук ^{{¡^М-^ В.П.Быков

Введение

Актуальность работы

Лазеры на эксишюксных инертно-галоидных молекулах являются на сегодняшний день самыми мощными. Область их применения постоянно расширяется и распростроняется также, в частности, на микроэлектронику, медицину, технику и т.д. Конструирование лазерных установок сопрякено со значительными затратами, поэтому их моделирование становится актуальным. В зависимости от цели применения лазера может стать выигрышным применение того или иного буферного газа или донора галогена, чем вызван широкий диапазон выбора смесей ХеС1 (СМЭСИ Ке-Хе-НС1. Аг-Хе—НС1, Не-Хе-НС1. Аг-хе-сс14) и агр (смэси Аг-г2, Ие-Аг-г2. Но-Аг^) лазеров. Так, например, для достижения оптимального кпд хеС1 лазера при слабых пучковых накачках предпочтительнее смесь не-хе-нс1. Если на первый план выступают вопросы токсичности смеси, то предпочтительнее смесь Аг-Хе-СС14.

Сейчас довольно хорошо изучена кгк. хеС1, ХеР лазеры. Принимая во внимание последние экспериментальные работы, аге лазер практически не уступает по мощностным характеристикам перечисленным выше системам. В силу этого актуальным становится моделирование агб лазера не только в различных смесях, но и при различных методах возбуждения - пучком электронов, в разряде. Широкополосное излучение в чистых инертных газах в областях \»200 нм в аг и ЛлЗОО ем в й- м Хе известно уже давно. Данные континуумы . получаются различными методами возбуждения. Первые попытки объяснения природы данных континуумов относятся к 1964 году и до

сих пор нет общепринятой точки зрения. Поэтому актуальным становится комплексное изучение упомянутых континуумов с целью объяснения их природа, исследование их поведения от степени накачки, давления, влияния различного рола примесей, длительности накачки, сравнение временной и интегральной интенсивностей свечения с интенсивностями уке известных переходов, например, димэрнши континуумами.

Цель работы

Основная цель работы - изучение энергетических возможностей ХеС1, Лгг лазеров, объяснение природа широкополосного излучения в инертных газах. Для ятого явилось необходимым построение кинетических моделей в различных смесях пучкового хеС1 лазера, пучкового и разрядного АгГ лазера, посароение кинетической модели хе среда.

Научная новизна и практическая ценность Практическая ценность хеС1, АгР моделей - возможность моделирования пучковых хеС1, Агг лазеров и разрядных а^ лазеров. Научная новизна состоит

а) в построении пучковой модели хеС1 лазера в смесях не-хе-нс1, Аг-Хе-СС14;

б) в построении пучковой модели АгР лазера;

в) в объяснении природы широкополосного излучения в плотных инертных газах и построение модель релаксации, адекватно описывающей особенности временных зависимостей этого излучения.

Аппробация работы Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на научных

семинарах в ИОФАН СССР, на 12 рабочем семинаре ^Лазерная спектроскопия возбуаденных атомов и молекул в газоразрядных лазерах" (Лохусалу 1987), 13 Всесоюзном рабочем семинаре "Спектроскопия активных оред газоразрядных лазеров" (Лохусалу 1988), Всесоюзном рабочем совещания "Лазеры на парах металлов и их применение" (Новороссийск 1939), Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград 1990), опубликованы в II печатных работах.

Защищаемые положения

1. На защиту выносится кинетическая модель хеС1 лазера, накачиваемого электронным пучком в смеси не-Хе-нс1. В данной смеси возможно получение А% кпд по вложенной энергии при накачке и-ЗО кВт/см3.

На защиту выносится кинетическая модель хеС1 лазера, в смеси Аг- .¡-СС14. накачиваемого пучком электронов. Данная смесь не уступает по эффективности Аг-Хе-нс1. Ые-хе-нс1 смесям.

2. На защиту выносится кинетическая модель АгЕ лазера, в смесях Це-кг-т2 . Аг-Г2, накачиваемых электронным пучком. В смеси

о

Аг—порог генерации при I атмосфере составляет у^р^КЮ кВт/см . Данная смесь очень чувствительна к поглощению при накачке до МВт/(см3 атм).

3. На защиту выносится кинетическая модель а^ лазера, в разряде в смесях не-Аг-г2. не-Хг-г2. В смеси ив-Аг-г2 возможно получение А% кпд по цепи.

4. Зарегестрированное различными экспериментальными грушами широкополосное излучение в чистых инертных газах аг (А^200 нм) и Кг, Хе (\~300 нм) является излучением молекулярных ионов л?** (Чя - Аг, Кг. Хе) на переходе из состояния асимптотически переходящего в йд+(пз2пр5) и р(д"(3Р1 2), в нижние состояния - переходящие в

1?д+(пз2пр5) И 1?д(*3д) . ГД9 п=3,4,5 ДЛЯ ДГ, Кг И Хе С00ТВ9ТСТВ9НН0.

На защиту выносится кинетическая модель хе среды, накачиваемой сильноточным протонным пучком. Модель объясняет аномально большую по времени (по сравнению с временем накачки) продолжительность свечения широкополосного континуума.

Объем работа

Диссертация содеркит 149 страниц машинописного текста, включая 39 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 154 наименований.

Личный вклад автора

Все результаты в диссертации получены лично автором либо при его непосредственном участии.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, гита глав и заключения.

Во введении обсуждается актуальность рассмотренных вопросов, их новизна и практическая ценность полученных результатов.

В пергой главе дан обзор экспериментальных и теоретических работ по эксиплоксным системам, моделированию их энергетических и угловых „характеристик. Рассмотрены основные каналы заселения эксишюксних молекул. Проанализированы предельные характеристики этих систем и ограничения, в силу которых они возникают.

Во второй главе приведены пучковая кинетическая модель хеС1 (Х=308 НМ) лазера В СМ6СЯХ 'ые-Хе-НС1, Лг-Хе-НС1. Не-Хе-НС1, дг-Хв-сс14. Проведено широкое сравнение экспериментальных и теоретических характеристик (энергия, мощность, кпд). Буфэр:гие газы Мв и дг в смесях с Хе и не 1 примерно эквивалентны (т)~4 при

о

накачках в насколько МВт/см . Не буфер при таких накачках

о

малоэффективен, однако при накачках порядка 30 кВт/см также возможно получение код«<4 я;. В качестве донора хлора в хеС1 лазэрах в ранних експериментах брались молекулы с12 ши сс14- нс1 дает лучшие характеристики ХвС1 лазеров, поэтому позднее практически все эксперименты производились с ней. Однако этот газ очень токсичен, что при широком использовании хеС1 лазера может вызывать некоторые осложнения. Этим было вызвано построение модели хеС1 лазера в смоси Аг-хе-сс14. Как оказалось, данная смесь не уступает ПО еффеКТИВНОСТИ смесям Кс-Хе-НС1. Аг-Хе-НС1.

В третьей главе приводится кинетическая модель АгГ лазера (Я=183 нм), накачиваемого пучком в смесях Аг-е2 , Ие-Аг-^. Агг лазер обладает рядом особенностей. У него небольшое сечение вынувденного излучения 3 Константы же перемешивания "В"

и "С" состояний таковы, что населенность лазерного уровня "В" в два раза меньше, чем "С", что приводит к эффективному сечвшао вынужденного излучения о=1 10~16 см2. Этим объясняется высокий порог (Кд^Р-ЮО кВт/см3) и сильная чувствительность Агк лазера к поглощению (примеси, потери в зеркалах) вплоть до ^Еак«1

о ,

МВг/(см атм). Однако поглощение излучения в данных смесях на аг^.

тг практически отсутствует и это приводит , в частности, к тому что, как следует из наших расчетов, данный лазер может обладать следующими . характеристиками: Еген=30-100 Дж/л при кпд»23-12 %. (при накачке инак~7 МВт/см ). Рекордный кпд в самой аффективной на сегоднйшний день система - кг? составляет порядка 10

В четвертой глава представлена кинетическая модель разрядного АгР лазера в смйсях ив-Аг-г2, Нв-Аг-г2. В литературе практически отсутствуют подробные эксперименты с разрядным ь-гг лазером,

поэтому в данной главе приводится также сопоставление о

ч

результатами расчетов единственной существующей, кроне нашей, на данный момент моделью (ohwa, оьага, J. Appi. рьуз. 1988). Буферный газ Ne оказывается более предпочтительным, чем не. "

В пятой главе исследуется широкополосное излучение в инертных газах. На основе экспериментов, проведенных в НИИЯФ г. ,Томска, выдвипуто и обосновано предположение о природе этого излучения, дана критика существующих точек зрения. Построена кинетическая модель Хе среды, с помощью которой проведено сравнение с экспериментами по накачке хе сильноточным протонным пучком, проведенных также в НШЯФ г. Томска. Выдвинутым предположением объясняются работа других групп.

В заключении приведены основные результаты данной диссертации.

Основные результаты опубликованы в следубщих работах:

1. Бойченко A.M., Деркиев B.W., Еидков А.Г., Карелин A.B., Коваль A.B., Протопопов C.B., Середа О.В., Терзовский K.M., Терских А.О., Юровский В.А., Яковленко С.И., Кстлэкс программ plaser для расчета характеристик излучения лазеров на электронных переходах молекул, атомов и ионов в низкотемпературной рекомбинирупцей плазме, Препринт ИОФАН N282, M., 1987, 27 с.

2. Бойченко A.M., Жидков А.Г., Протопопов C.B., Яковленко О.И., Расчет формирования расходимости излучения xeci лазера, Препринт ИОФАН N248, M., I9S7, 26с.

3. Бойченко A.M., Держиев В.И., Жидков А.Г., Юровский В.А., Яковленко С.И., Кинетика активной среда xeci лазера, накачиваемого электронным пучком, Препринт л37, М., 1988, 61 с.

4. Бойченко A.M., Дерзиев В.Й., Жидков А.Г., Яковленко С.И., Кинетическая модель Xeci лазера, накачиваемого электронным пучком

// Квант. Электр., 1989, ц2, с. 278-280

5. Бойченко A.M., Держиев B.W., Жидков А.Г., Кузнецов A.A., Сулакшин С.С., TapacsHKO В.Ф., Яковленко С.И., 0 природе длинноволнового континуума в ВУФ-УФ спектрах инертных газов, возбундаемых наноевкундным электронным пучком // Деп. ВИНИТИ N7459-B88, 1988, 31 С.

6. Бойченко A.M., Держиев В.И., Жидков А.Г., Карелин A.B., Коваль A.B., Середа О.В., Яковленко С.П., Кинетические модели некоторых плазменных лазеров, накачиваемых кесткям ионизатором // Тр. ИОФАН, 1989, 21, с. 44-115

7. Бойченко A.M., Деркиев В.И., Кйдков А.Г., Сулакшин С.С., Яковленко С.Я., Кинетическая модель Arт лазера, накачиваемого электронным пучком // КСФ, 1989, нБ, с. 28-30

8. Бойченко A.M., Держиев В.И., Кидков А.Г., Кузнецов A.A., Сулакшин С.С., Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И., О механизме возбуждения длинноволнового континуума в ВУФ-УФ спектрах инертных газов // Опт. и Спектр., 1990, бе, с. 6-7

Э.Бойченко A.M., Держиев В.И., Кидков А.Г., Яковленко С.И., Кинетическая модель Xeci лазера в смеси лг-хе-ссх4 // КОФ, 1990, N9, с. 9-1I

10. Бойченко A.M., Дэрзшав В.И., Жидков А.Г., Кузнецов A.A., Сулакшин С.С., Яковленко С.И., Широкополосное излучение в хе в области Х=300 нм при накачка протонным пучком, Препринт ИОФАН к50, М., 1990, 22 с.

11. Бойченко A.M., Дерхиев В.И., Жидков А.Г., Яковленко С.И., Кинетическая модель ArF лазера, Препринт ИОФАН N48, М., 1991, 30с.

- 10 -Основные результаты

1. Построена модель хеС1 лазера, накачиваемого электронным пучком В смесях Не-Хе-НС1. Ые-Хе-НС1. Аг-Хе-НС1. Аг-Хв-СС14. ПрОВЭДвНО подробное сравнение с экспериментами. Результаты расчетов выходной энергии, кпд, оптимальных концентраций реагентов и параметров зеркал отличаются от экспериментальных не более, чем в 2-3 раза. Расчеты показывают, что смесь Дг-хе-сс14 нэ уступает по Эффективности смесям Ме-Хв-НС1. Аг-Хе-НС1.

2. Построена модель лгг лазера, накачиваемого электронным пучком в смесях Дг-г2. Не-Л1—Проведено подробное сравнение с экспериментами. Показано, что данный лазор обладает высоким порогом и чувствителен к поглощающим примесям ж потерям излучения в окнах резонатора и в зеркалах. Обнаружено, что в смеси Аг-г2 возможно получение анэргии 30-100 Дж/л с кпд 23-12 %.

3. Построена модель Аг? лазера в разряде в смесях Не-Аг-г2. це_дг_г2. Показано, что буферный газ це более предпочтителен с точки зрения получения большей энергии и кпд при одинаковых параметрах цепа. Расчеты показывают, что в смэси Не-Лг-т2 возможно получение 4 % кпд по цепи.

4. На основе имеющихся экспериментальных данных выдвинуто предположение, что широкополосное излучение в чистых инертных газах Аг, Кг. Хе в области Л~200-300 нм образуется за счет

' излучения молекулярных ионов р.д**. 03 состояния, асимптотически переходящего в Пд'*" (пз2пр5) и ид*(3р1 2) в состояния, асимптотически переходящие в нд+(пэ2пр5) н?(1з0). П=3,4,Б для Аг. Кг, Хв. Дана критика существующих точек зрения. Создана модель хе среды, накачиваемой сильноточним протонным пучком. Эта модель, в частности, объясняет аномально большую по времени (по сравнению с временем накачки) продолжительность свечения широкополосного Континуума.