Кинетика активных сред лазеров на ионных линиях Cd, Sr, Ba и N, накачиваемых жестким ионизатором

Широков, Руслан Владимирович

Кинетика активных сред лазеров на ионных линиях Cd, Sr, Ba и N, накачиваемых жестким ионизатором тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Широков, Руслан Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Кинетика активных сред лазеров на ионных линиях Cd, Sr, Ba и N, накачиваемых жестким ионизатором»

Автореферат диссертации на тему "Кинетика активных сред лазеров на ионных линиях Cd, Sr, Ba и N, накачиваемых жестким ионизатором"

^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

- ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

~ к)

^ "V

Нз Пр2В2Х рукописи УДК 621.373.826

Широков Руслан Владимирович Кинетика активных сред лазеров на ионных линиях Сс1, Бг,

13 и тт ЛТ 1т(11-ли!пю^.и и тм^алттггп х тичтттюатлптг иа и 14, 11ЩМ! 11>ИЧ-.>11Л/Ч пшиии

(01. 04. 21 - лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Институте общей физики РАН (Москва)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Карелин А. Б.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бирюков А. С. доктор физико-математических наук, профессор Петраш Г. Г.

Ведущая организация:

Сибирский физико-технический институт (г.Томск)

Защита состоится « Л» кс-яё^я 1998 г. в на заседании

Диссертационного совета Д-003.49.02 Института общей физики РАН по адресу: 117942 г. Москва, ул. Вавилова, д. 38, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН.

Автореферат разослан « Ь »

СХ^ГЛсР^ £) 1998 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета ¡^

доктор физико-математических наук, профессор Быков В. П.

I. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Диссертация посвящена теоретическому исследованию активных сред плазменных лазеров и источников спонтанного линейчатого излучения на смесях паров металлов с инертными газами, накачиваемых жестким ионизатором. Исследуется также возможность создания К2-Н2-лазера с длиной волны 26,5 нм. Плазменными называются лазеры, в которых активной средой служит рекомбинационно-неравновесная (переохлаждешгая) плазма. Под жестким ионизатором подразумеваются электронный и ионный пучки, заряженные продукты ядерных реакций, а также кванты коротковолнового излучения.

За последние 25 лет запущен ряд лазеров на парах металлов, занимающих важное место среди плазменных лазеров. Из основных достоинств этих лазеров отметим: 1) возможность создания лазеров в ИК, видимом и УФ диапазонах спектра; 2) низкие пороги генерации, позволяющие использовать ядерную накачку; 3) возможность использования больших объемов активной среды, что приводит к получению больших энергосъемов. К недостаткам можно отнести высокую оптимальную температуру среды при использовании некоторых из металлов, а также малую длину свободного пробега осколков деления в тяжелых инертных газах высокого давления (Кг, Хе) в случае ядерной накачки.

К настоящему времени разработаны кинетические модели, адекватно описывающие как относительно слабую стационарную накачку лазеров продуктами ядерных реакций, так и мощную импульсную накачку электронным и ионным пучками. Однако, появление новых интересных

экспериментальных результатов требует создания соответствующих теоретических моделей. Актуальной задачей является более подробное рассмотрение уже существующих моделей с учетом поуровксвой кинетики в атомах металлов и тестирование этих моделей на результатах экспериментов, в которых была получена генерация на атомарных линиях Анализ таких моделей позволяет более полно и точно интерпретировать имеющиеся эксперименты и получать юг формацию о предельных возможностях той или иной активной среды. Выявление некоторых общих закономерностей формирования инверсии в низкотемпературной плазме способствует целенаправленному поиску новых активных сред лазеров с высокими генерационными характеристиками.

Рекомбинационная схема накачки активных сред, согласно оценкам, позволяет расчитывать - на получение генерации на переходах многозарядных ионов. При детальном исследовании N2-^ лазера в данной диссертации внимание уделяется возможности создания инверсной заселенности на Зб —> 2р переходе Ьйюдобного иона азота 26,5 нм) с рекомбинационным заселением верхнего рабочего уровня и с очисткой нижнего рабочего уровня за счет неупругих соударений с электронами плазмы.

Сегодня наиболее эффективными лазерами, работающими в УФ диапазоне, являются эксиплексные лазеры, накачиваемые электронными и протонными пучками. Однако наименьшим порогом генерации 400-500 Вт/см3 среди этих лазеров обладает Хе1;-лазер на смеси Ке-Хе-№3. В условиях ядерной накачки такая мощность энерговклада обеспечивается при плотностях потока нейтронов -3-Ю16 нейтрон/(см2-с) на поверхности лазерной кюветы. При этом КПД активной среды по вложенной энергии существенно меньше 1 %. В связи с этим для получения УФ генерации в условиях ядерной накачки наряду с эксимерными лазерами перспективной представляется смесь Не-Сс!

(переход 4с195з2 20з/2 —> 4с11()5р2Рз/2 в ионе кадмия с длиной волны 325,0 нм), обладающая сравнительно низким (-2-1015 нейтрон/(см2с)) порогом генерации. Б диссертации обсуждается вопрос о возможности создания такого УФ лазера с ядерной накачкой и о причинах, до сих пор этому препятствующих.

Отдельный интерес представляет поиск активных сред для создания эффективных источников споптаппого линейчатого излучения в одном шш нескольких относительно узких диапазонах длин волн. Такие источники могут использоваться в различных приложениях, например, для конверсии энергии продуктов ядерных реакций в излучение накачки твердотельных лазеров, для создания относительно узкополоскых ламповых нстотшикоб накачки лазеров на красителях, различных сигнальных систем непрерывного действия, не требующих прокачки, и т. д.

Цель работы. 1. Построение подробных нестационарных кинетических моделей активных сред источников вынужденного и спонтанного излучения на смесях Т^2-Н2, Не-Сё-ССЦ, Хе-Бг и Хе-Ва, адекватно описывающих основные релаксационные процессы, протекающие в этих средах под действием жесткого ионизатора.

2. Исследование влияния различных гагазмохимических реакций на формирование инверсной заселенности, лазерного и спонтанного излучения в активных средах и выяснение причин, ограничивающих выходные характеристики лазеров и ламп.

3. Оптимизация параметров активных сред, резонатора и накачки по выходным характеристикам (мощность излучения, КПД по вложенной энергии) рассматриваемых лазеров и ламп.

Научная новизна диссертации заключается в том, что здесь впервые построена кинетические модели лазера на переходе (к~ 26,5 нм)

литийподобного иона азота и Хе-Ва лазера на переходе (к= 490,0 им) иона бария, а также кинетические модели Не-Сё-СС14 (к- 325,0 нм) и Хе-Бг (X— 430,5 им) лазеров ка ионных линиях кадмия и стронция с учетом поуровневой кинетики в атомах. На основе этих моделей впервые построены кинетические модели лазера на атомарном переходе кадмия (Х= 1,65 мкм) и источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Хе-Яг и Хе-Ва, излучающих в сине-зеленой области спектра. Установлены механизмы создания инверсной заселенности, а также причины, препятствующие получению генерации на рассмотренных переходах, проведена оптимизация рабочих параметров рассмотренных источников и изучено влияние констант скоростей отдельных плазмохимкческих реакций на диапазоны этих параметров.

На защиту выносятся подробные нестационарные кинетические модели активных сред лазеров и источников спонтанного линейчатого излучения с накачкой жестким ионизатором на смесях ^-РЬ, Не-Сд-ССЦ-N2, Хе-Бг, Хе-Ва, а также анализ результатов расчетов, полученных в процессе численного моделирования.

Результаты работы позволили сформулировать следующие утверждения:

1. Введение водорода в активную среду N2-112 лазера способствует эффективному охлаждению электронов ^-Щ-плазмы, что приводит к улучшению разгрузки нижнего рабочего уровня и получению генерации в режиме сверхизлучения на переходе Зб —> 2р ^-подобного иона азота с длиной волны 26,5 нм.

2. При накачке Не-Сс1-смеси высокого давления жестким ионизатором релаксационный поток распределяется по возбужденным состояниям атома кадмия таким образом, что около 90 % его в результате излучательно-

столкиовительного каскада попадает на метастабильные 5р3Р состояния атома.

3. Отсутствие генерации на переходе *1 с195з2 Ч33/2 -> 4ё105р 2Р]/г нона кадмия с Х= 325,0 нм в условиях ядерной накачки обусловлено паразитным поглощением рабочего излучения метастабильными атомами кадмия на переходе 5р3Р2 ?538} с сечением 3-Ю-17 см2. Введение в Не-Сс1-смесь электроотрицательной примеси СС14 приводит к перехвату рекомбинациоппого потока молекулярных ионов кадмия на отрицательные ионы примеси, приводящему к снижению концентрации в плазме метастабильных атомов Сс1*(5р3Р2).

4. Использование смесей ксенона с парами металлов стронция и бария позволяет создать эффективные источники спонтанного линейчатого излучения в сине-зеленой области спектра за счет повышения квантового выхода излучения на нескольких близких по спектру переходах.

С научно-практической точки зрения работа является очередным этапом исследования лазеров па парах металлов II группы, а также коротковолнового Ыз-Нз лазера с накачкой жестким ионизатором. Полученные результаты позволили выделить основные плазмохимические процессы, ответственные за формирование инверсной заселенности и определить области рабочих параметров и предельные возможности рассмотренных активных сред. Результаты могут быть использованы для постановки экспериментальных работ по созданию УФ лазера с ядерной накачкой на смеси Не-СсЗ-ССЦ и источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Хе-Яг и Хе-Ва, а также Ы2-Н2 лазера с длиной волны, принадлежащей промежуточной области между ВУФ и мягким рентгеновским диапазонами.

Личный вклад автора:

-участие в постановке задач; -построение кинетических моделей; -численное моделирование активных сред; -анализ результатов численного моделирования;

-ишерпрепщия экспериментальных данных на основе развитых теоретических моделей.

Апробация результатов работы. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на XIV Международной конференции но когерентной и нелинейной оптике КиНО-95 (г. Санкт-Петербург, 1995); IT и Ш Международных конференциях "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" ИЛПАМ-95 и ИЛПАМ-97 (г. Томск); на семинарах ИОФРАН; опубликованы в 11 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, чегырех глав, заключения и приложений. Полный объем составляет 172 страницы, включая 48 рисунков, 2 таблицы, приложение и список литературы, насчитывающий 114 наименований.

II. Содержание работы

Во введении показана актуальность выбрапного направления исследования, сформулированы цель и основные научные положения диссертации, отмечена новизна и практическая ценность полученных в работе результатов.

В главе 1 дан обзор и проведен анализ экспериментальных и теоретических работ по лазерам на парах металлов II группы, лазерам с

ядерной накачкой. Изложено также состояние дел на сегодня в области коротковолновых лазеров.

В главе 2 приводится подробная кинетическая модель М2-Н2 лазера (7.= 26,5 нм) с накачкой жестким ионизатором. Впервые рассмотрена нестационарная задача релаксации многозарядной ^-Ш-плазмы и показана возможность создания инверсной заселенности и получения мощной генерации на переходе Зк —» 2р 1л-подобного иона азота. Установлено, что необходимым условием для этого является введение в активную среду лазера примеси, способной эффективно охлаждать электроны плазмы. В качестве такой примеси предложено использовать водород. Электроны, ионизуя молекулы и атомы водорода, эффективно охлаждаются, что приводит к созданию инверсной заселенности на рассматриваемом переходе за счет девозбуждения нижнего рабочего уровня электронами. Приведены результаты оптимизации модели и указаны причины ограничений, накладываемых на рабочие параметры активной среды и накачки.

В главе 3 приводится подробная кинетическая модель Не-СсЬССЬтМ?-смеси, с помощью которой были построены модели лазеров на четырех ионных (Я,= 533,7; 537,8; 441,6 и 325,0 им) и двух атомарных (1= 1432,8 и 1648,2 нм) переходах в кадмии. Продемонстрировано удовлетворитель-ное совпадение расчетов каждого из лазеров с экспериментальными данными. Установлено распределение рекомбинационного потока в Не-Сс1-плазме по возбужденным уровням атома кадмия. Показано, что в условиях мощной ядерной накачки генерация на переходе 6р3Рг -» 6в38} 1432, 8 нм) атома кадмия отсутствует из-за увеличения более чем на порядок величины эффективного времени жизни нижнего уровня вследствие сильной реабсорбции излучения на переходах бБ^ -> 5р3Р0,1^.

Установлено, что отсутствие генерации на переходе 4(195з2 Ч)з/2 —> 4с1,05р 2Рщ иона кадмия с к= 325,0 нм в условиях ядерной накачки

обусловлено паразитным поглощением рабочего излучения метастабиль-ными атомами кадмия на переходе 5р3Р2 -> 7я35! с сечением 3-Ю"17 см2. Введение в Не-С(1-с.месь электроотрицательной примеси ССЦ приводит к перехвату рекомбинационного потока молекулярных ионов кадмия на отрицательные ионы примеси, приводящему к снижению концентрации в плазме мегастабильных атомов кадмия Си*(5р3р2) и, соответственно, к уменьшению паразитного поглощения рабочего излучения и появлению квазистационарной генерации на УФ переходе.

Проведено также исследование влияния девозбуждения электронами верхнего лазерного уровня для УФ линии 325,0 нм. Установлено, что неупругие соударения ионов кадмия с электронами не приводят к срыву инверсной заселенности на рассматриваемом переходе даже в том предположении, что константа указанной реакции превышает расчетную величину ЗЛ0 ''/^Ге более чем на два порядка. На примере азота изучено

влияние вредных примесей на генерационные характеристики Не-Сс1 лазера.

В главе 4 представлены кинетические модели, описывающие кинетику смесей Хе-Бг и Хе-Ва при воздействии на них жесткого ионизатора. Приведены результаты оптимизации с помощью этих моделей Хе-Бг и Хе-Ва лазеров (А.= 430,5 и 490,0 нм, соответственно). Благодаря прямой накачке верхнего рабочего уровня в Хе-Бг-смеси в реакциях перезарядки ионов ксенона на атомах стронция КПД лазера может превышать 3 %. Приведены зависимости генерационных характеристик лазеров от рабочих параметров активной среды, накачки и резонатора.

В главе рассмотрены также кинетические модели источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Хе-Бг и Хе-Ва, излучающих в спектральных диапазонах 400-500 и 410-560 нм соответственно на переходах атомов и ионов стронция и бария. Приведены оптимальные

параметры ламп при ядерной накачке импульсом нейтронов с плотностью потока нейтронов ~1015 нейтрон/(см2-с) миллисекундной длительности.

Выводы

1. Создана подробная нестационарная кинетическая модель N2-^ лазера на переходе 3$ —» 2р 1л-подобного иона азота с длиной волны 26,5 нм, накачиваемого жестким ионизатором с планковским спектром. Расчеты показывают, что генерация в режиме сверхизлучения возможнатолько в присутствии в активной среде водорода, эффективно охлаждающего электроны плазмы. Низкая температура электронов (<8-9 эВ) способствует эффективному девозбуждешпо нижнего рабочего уровня в соударениях с электронами. В этом случае оптимальные концентрации компонент плазмы следующие: [N2}= 7-Ю17 см-3, [Н2] 5-Ю17 см-3 при энерговкладе в активную среду 500 Дж за 2 не.

2. Усовершенствована существующая ранее кинетическая модель Не-С(1-лазера с добавлением поуровневой кинетики атома кадмия и реакций с участием четыреххлористого углерода СС14 и азота. Построена кинетическая модель лазера с ядерной накачкой на переходе атома кадмия (А,= 1,6482 мкм). На основе сравнения результатов расчета по модели с экспериментальными данными установлено распределение релаксационного потока накачки по возбужденным состояниям атома кадмия. Показано, что в условиях мощной ядерной накачки генерация на переходе 6р3Р, -» бя^ (>„= 1,4328 мкм) атома кадмия отсутствует из-за сильного перепоглощения излучения на бБ^ —> 5р3Р переходах, приводящего к срыву инверсной заселенности.

3. На основе модели Не-С(1-лазера изучены механизмы влияния добавки четыреххлористого углерода на развитие релаксационных

процессов в He-Cd-плазме и на получение генерации на ионной УФ линии кадмия (7,- 325,0 нм). Показано, что основной причиной, препятствующей получению генерации на переходе с Х= 325,0 нм в условиях ядерной накачки, является паразитное поглощение рабочего излучения метастабильными атомами кадмия 5р3Р2 с сечением 3-Ю"17 см2. Добавление в активную среду лазера примеси CCi4 приводит к снижению скорости заселения метастабштьных атомов кадмия в реакциях диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов кадмия Са^ , которые

активно вступают в реакции тройной и бинарной рекомбинации с отрицательными ионами хлора, приводящие к обходу релаксационного потока мимо атомов Cd*(5p3P).

4. Проведена оптимизация He-Cd(-CCl4) лазера с ядерной накачкой. При накачке лазера от реактора БАГС-6 добавление в активную среду примеси CCI4 приводит к расширению импульса генерации на УФ переходе и увеличению мощности генерации примерно в 2 раза. Оптимальные условия генерации при этом: Tg= 320 °С, [Не]= 1019 см*3, [CCLf]= 6-Ю14 см-3, Т= 0,7 %. Изучено также влияние вредных примесей на генерационные характеристики лазера на примере азота, молекулы которого способны перехватывать релаксациошшй поток.

5. Построена подробная кинетическая модель Хе-Бг-Нг лазера, работающего на переходе 6s2Si/2 5р2Р3/2 (Х= 430,5 им) иона стронция и накачиваемого пучком электронов. Показано, что добавление в активную среду водорода не приводит к улучшению генерационных характеристик лазера. Получены оптимальные условия генерации: рхе= 60 Topp ([Хе]= 2,1-1018 см~3), Tg= 920 °С, коэффициент отражения резонатора г— 0,95 при удельном энерговкладе в среду W=1,7мДж/см3 (плотность тока j=ll А/см2), при которых КПД активной среды по вложенной энергии может превышать 3 %. Исследованы зависимости генерационных характеристик лазера от параметров активной среды и резонатора.

6. Рассмотрены кинетические модели источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Xc-Sr и Хе-Ва, излучающих в спектральных диапазонах 400-500 и 410-560 нм соответственно на переходах атомов и ионов стронция и бария. Получены оптимальные параметры ламп при ядерной накачке импульсом нейтронов с плотностью потока нейтронов -И)15 нейтрон/(см2-с) миллисекундной длительности. Оптимальные условия для Xe-Sr-лампы: рхе= 42 Topp ([Хе]= 1,5-1018 см-3), Tg-850 °С; для Хе-Ва-лампы: рХе= МО Topp ([Хе] - 5-Ю'8 см'3), Tg= 950 °С. Расчеты показывают, что КПД Xe-Sr-лампы по вложенной энергия может достигать 30 %, КПД Хе-Ва-лампы — 27 %.

7. Проведена полная оптимизация Хе-Ва-лазера (/.= 490,0 нм) на переходе 7s2Sj/2 ~~* ^Р2Рз/2 иона бария, накачиваемого пучком электронов с энергией 100 кэВ. Оптимальные параметры накачки и активной среды: длительность импульса накачки по основанию 270 не, плотность тока 15 А/см2, давление ксенона 0,3 атм ([Хе]= 8-1018 см-3), температура активной среды Tg= 1130 °С, коэффициент отражения выходного зеркала резонатора г= 58 %. КПД лазера по вложенной энергии не превышает 0,07 %. Оптимальное значение Tg обусловлено перезарядкой рабочих ионов бария на собственных атомах, уменьшающей величину инверсной заселенности при Tg> 1130 °С.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Карелин А. В., Широков Р. В., Яковленко С. И. Кинетическая модель Ы2-Н2-лазера на переходе 3s —» 2р Li-подобного иона азота. // Квантовая электроника. 1996. Т. 23. № 5. С. 423-427.

2. Карелин А. В., Широков Р. В. Кинетическая модель Xe-Sr-I^-Jiasepa (к= 430,5 нм) с накачкой жестким ионизирующим излучением. // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. № 5. С. 419-422.

3. Karelin А. V., Shirokov R. V. Kinetic Model of a He-Cd-CCLi Laser with Nuclear Pumping. // Laser Physics. 1997. V. 7. № 5. P. 1045-1057.

4. Karelin A. V., Shirokov R. V., Yakovlenko S. I. Computer Theory of Radiative Characteristics of a Xe-Sr Mixture Pumped by a Hard Ionizer. // Laser Physics. 1997. V. 7. № 6. P. 1182-1189.

5. Карелин А. В., Широков P. В., Яковленко С. И. Численное моделирование излучательных характеристик Xe-Sr-смсси, накачиваемой жестким ионизатором. // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. № 11. С. 1323-1330.

6. Карелин А. В., Широков Р. В. О природе паразитного поглощения в Cd-лазере (к= 325,0 нм). // Краткие сообщения но физике ФИАН. 1997. № 5-6. С. 19-24.

7. Карелин А. В., Широков Р. В. Лазер с ядерной накачкой на переходах атома кадмия. М., 1998. 36 с. / Препринт / Институт Общей Физики РАН, № 3.

8. Карелин А. В., Широков Р. В. Излучателыше характеристики Хе-Ва-смеси, накачиваемой жестким ионизатором. М., 1998. 40 с. / Препринт / ИОФРАН, № 8.

9. Карелин А. В., Широков Р. В. Оптимальные условия генерации УФ лазера с ядерной накачкой на смеси He-Cd-CCl4. // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11.№2-3. С. 202-206.

10. Карелин А. В., Широков Р. В. Кинетика активной среды лазера с ядерной накачкой на переходах атома кадмия. // Квантовая электроника. 1998. Т. 25, в печати.

11. Карелии А. В., Широков Р. В. Излучательные характеристики Хе-Ва-смеси, накачиваемой жестким ионизатором. // Laser Physics. 1998. V. 8, в печати.

Подписано в печать 21 сентября 1998 года. Формат 60x84/16. Заказ № 189 Тираж 85 экз. Пл. 1,0. Авт.л. 1,0 Отпечатано в РИИС ФИАН. Москва, В-333, Ленинский проспект, 53 Тел.: 132 5128, 132 6137, 132 6839, 132 6298

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Широков, Руслан Владимирович, Москва

4» ¿Рл

Ч/

? - 4 /■

российская академия наук институт общей физики

На правах рукописи УДК 621.373.826

Широков Руслан Владимирович

Кинетика активных сред лазеров на ионных линиях Сс1, Бг, Ва и накачиваемых жестким ионизатором (01. 04. 21 - лазерная физика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, старший научный сотрудник А. В. Карелин

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Плазменные лазеры на переходах атомов и ионов 13

Глава 2. Лазер на переходе Зб —> 2р У-подобного иона азота 27

2. 1. Кинетическая модель ^-Г^-смеси, возбуждаемой

жестким ионизатором 30

2. 2. Основные релаксационные процессы в ^-Н2-плазме 33

2. 3. Результаты численного моделирования ^-Г^-лазера 36 Заключение к главе 2 42 Глава 3. Кинетика активной среды лазеров на переходах атома и

иона кадмия 44

3. 1. Кинетическая модель Не-Сё-ССЦ-^-смеси,

накачиваемой жестким ионизатором 44

3.2. Моделирование лазера с ядерной накачкой на переходах атома кадмия 49

3.3. Моделирование Ссклазера на ионных переходах 53

3. 3. 1. Не-Сс1-лазер, накачиваемый ускорителем

электронов РАДАН-150 53

3. 3. 2. Накачка Не-Сс1(-СС14)-смеси пучком

электронов микросекундной длительности 57

3.4. Оптимизация УФ лазера с ядерной

накачкой 325,0 нм) 65

3. 4. 1. Определение пороговых и предельных энергетических характеристик лазера при длинноимпульсной реакторной накачке 65

3. 4. 2. Численное моделирование и оптимизация

в условиях возбуждения от реактора БАРС 69

Заключение к главе 3 75 Глава 4. Излучательные характеристики активных сред на

переходах атомов и ионов стронция и бария 77

4. 1. Кинетическая модель Хе-Бг-Н^-смеси 77

4. 2. Результаты численных расчетов 83

4. 2. 1. Хе-Бг-лазер с Х= 430,5 нм 83 4. 2. 2. Источник линейчатого спонтанного

излучения на смеси Хе-Бг 89

4. 3. Кинетическая модель смеси Хе-Ва 93

4. 4. Результаты численного моделирования 98

4. 4. 1. Хе-Ва-лазер с 490,1 нм 98 4. 4. 2. Источник линейчатого спонтанного

излучения на смеси Хе-Ва 100

Заключение к главе 4 107

Выводы 110

Приложение 113

Литература 161

Введение I. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Диссертация посвящена теоретическому исследованию активных сред плазменных лазеров и источников спонтанного линейчатого излучения на смесях паров металлов с инертными газами, накачиваемых жестким ионизатором. Исследуется также возможность создания ^-Ь^-лазера с длиной волны 26,5 нм. Плазменными называются лазеры, в которых активной средой служит рекомби национно-неравновесная (переохлажденная) плазма [1]. Под жестким ионизатором подразумеваются электронный и ионный пучки, заряженные продукты ядерных реакций, а также кванты коротковолнового излучения.

электронным и ионным пучками [2]. Однако, появление новых интересных экспериментальных результатов требует создания соответствующих теоретических моделей. Актуальной задачей является более подробное рассмотрение уже существующих моделей с учетом поуровневой кинетики в атомах металлов и тестирование этих моделей на результатах экспериментов, в которых была получена генерация на атомарных линиях. Анализ таких моделей позволяет более полно и точно интерпретировать имеющиеся эксперименты и получать информацию о предельных возможностях той или иной активной среды. Выявление некоторых общих закономерностей формирования инверсии в низкотемпературной плазме способствует целенаправленному поиску новых активных сред лазеров с высокими генерационными характеристиками.

Рекомбинационная схема накачки активных сред, согласно оценкам [3, 4], позволяет расчитывать на получение генерации на переходах многозарядных ионов. При детальном исследовании N2^2 лазера в данной диссертации внимание уделяется возможности создания инверсной заселенности на Зб -» 2р переходе Ы-подобного иона азота (1= 26,5 нм) с рекомбинационным заселением верхнего рабочего уровня и с очисткой нижнего рабочего уровня за счет неупругих соударений с электронами плазмы.

Сегодня наиболее эффективными лазерами, работающими в УФ диапазоне, являются эксиплексные лазеры, накачиваемые электронными и протонными пучками. Однако наименьшим порогом генерации 400-500 Вт/см3 среди этих лазеров обладает ХеР-лазер на смеси Ые-Хе-Ш^ [5-7]. В условиях ядерной накачки такая мощность энерговклада обеспечивается при плотностях потока нейтронов -3-1016 нейтрон/(см2-с) на поверхности лазерной кюветы. При этом КПД активной среды по вложенной энергии существенно меньше 1 % [7]. В связи с этим для получения УФ генерации в условиях ядерной накачки наряду с

эксимерными лазерами перспективной представляется смесь Не-Сс1 (переход 4с195з2 205/2 4с1105р2Рз/2 в цоне кадмия с длиной волны 325,0 нм), обладающая сравнительно низким (-2-1015 нейтрон/(см2-с)) порогом генерации. В диссертации обсуждается вопрос о возможности создания такого УФ лазера с ядерной накачкой и о причинах, до сих пор этому препятствующих.

Отдельный интерес представляет поиск активных сред для создания эффективных источников спонтанного линейчатого излучения в одном или нескольких относительно узких диапазонах длин волн. Такие источники могут использоваться в различных приложениях, например, для конверсии энергии продуктов ядерных реакций в излучение накачки твердотельных лазеров, для создания относительно узкополосных ламповых источников накачки лазеров на красителях, различных сигнальных систем непрерывного действия, не требующих прокачки, и т. д.

Цель работы. 1. Построение подробных нестационарных кинетических моделей активных сред источников вынужденного и спонтанного излучения на смесях N2-^, Не-Сё-ССЦ, Хе-Бг и Хе-Ва, адекватно описывающих основные релаксационные процессы, протекающие в этих средах под действием жесткого ионизатора.

2. Исследование влияния различных плазмохимических реакций на формирование инверсной заселенности, лазерного и спонтанного излучения в активных средах и выяснение причин, ограничивающих выходные характеристики лазеров и ламп.

Научная новизна диссертации заключается в том, что здесь впервые построены кинетические модели N2-^ лазера на переходе (А,= 26,5 нм) литийподобного иона азота и Хе-Ва лазера на переходе (Х= 490,1 нм) иона бария, а также кинетические модели Не-Сё-ССЦ (А.= 325,0 нм) и Хе-Бг (Х= 430,5 нм) лазеров на ионных линиях кадмия и стронция с учетом поуровневой кинетики в атомах. На основе этих моделей впервые построены кинетические модели лазера на атомарном переходе кадмия (к= 1,65 мкм) и источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Хе-Эг и Хе-Ва, излучающих в сине-зеленой области спектра. Установлены механизмы создания инверсной заселенности, а также причины, препятствующие получению генерации на рассмотренных переходах, проведена оптимизация рабочих параметров рассмотренных источников и изучено влияние отдельных ПХР на диапазоны этих параметров.

На защиту выносятся подробные нестационарные кинетические модели активных сред лазеров и источников спонтанного линейчатого излучения с накачкой жестким ионизатором на смесях N2-^, Не-Сё-ССЦ-N2, Хе-Бг, Хе-Ва, а также анализ результатов расчетов, полученных в процессе численного моделирования.

Результаты работы позволили сформулировать следующие утверждения:

1. Введение водорода в активную среду К2-Н2 лазера способствует эффективному охлаждению электронов N2-^ плазмы, что приводит к улучшению разгрузки нижнего рабочего уровня и получению генерации в режиме сверхизлучения на переходе Зб —» 2р Ы-подобного иона азота с длиной волны 26,5 нм.

2. При накачке Не-Сё-смеси высокого давления жестким ионизатором релаксационный поток распределяется по возбужденным состояниям атома кадмия таким образом, что около 90 % его в результате излучательно-

столкновительного каскада попадает на метастабильные 5р3Р состояния атома.

3. Отсутствие генерации на переходе 4ё95Б2 Ч)^! 4с1105р 2Р[/2 иона кадмия с Х= 325,0 нм в условиях ядерной накачки обусловлено паразитным поглощением рабочего излучения метастабильными атомами кадмия на переходе 5р3Р2 -» 7з381 с сечением 3-1 О*17 см2. Введение в Не-Сё-смесь электроотрицательной примеси ССЦ приводит к перехвату рекомбинационного потока молекулярных ионов кадмия на отрицательные ионы примеси, приводящему к снижению концентрации в плазме метастабильных атомов С<Г(5р3Р2).

С научно-практической точки зрения работа является очередным этапом исследования лазеров на парах металлов II группы, а также коротковолнового N2^2 лазера с накачкой жестким ионизатором. Полученные результаты позволили выделить основные плазмохимические процессы, ответственные за формирование инверсной заселенности и определить области рабочих параметров и предельные возможности рассмотренных активных сред. Результаты могут быть использованы для постановки экспериментальных работ по созданию УФ лазера с ядерной накачкой на смеси Не-Сё-СС14 и источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Хе-8г и Хе-Ва, а также ^-Н^ лазера с длиной волны, принадлежащей промежуточной области между ВУФ и мягким рентгеновским диапазонами.

Личный вклад автора:

-интерпретация экспериментальных данных на основе развитых теоретических моделей.

Апробация результатов работы. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике КиНО-95 (г. Санкт-Петербург, 1995); II и III Международных конференциях "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" ИЛПАМ-95 и ИЛПАМ-97 (г. Томск); на семинарах ИОФРАН; опубликованы в 11 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Полный объем составляет 172 страницы, включая 48 рисунков, 2 таблицы, приложение и список литературы, насчитывающий 114 наименований.

II. Содержание работы

Во введении показана актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и основные научные положения диссертации, отмечена новизна и практическая ценность полученных в работе результатов.

В главе 1 дан обзор и проведен анализ экспериментальных и теоретических работ по лазерам на парах металлов II группы, лазерам с ядерной накачкой. Изложено также состояние дел на сегодня в области коротковолновых лазеров.

В главе 2 приводится подробная кинетическая модель N2-^ лазера (к= 26,5 нм) с накачкой жестким ионизатором. Впервые рассмотрена нестационарная задача релаксации многозарядной К2-Н2 плазмы и показана возможность создания инверсной заселенности и получения мощной генерации на переходе Зб -> 2р Ььподобного иона азота. Установлено, что необходимым условием для этого является введение в активную среду лазера примеси, способной эффективно охлаждать электроны плазмы. В качестве такой примеси предложено использовать водород. Электроны, ионизуя молекулы и атомы водорода, эффективно охлаждаются, что приводит к созданию инверсной заселенности на рассматриваемом переходе за счет девозбуждения нижнего рабочего уровня электронами. Приведены результаты оптимизации модели и указаны причины ограничений, накладываемых на рабочие параметры активной среды и накачки.

В главе 3 приводится подробная кинетическая модель Не-Сё-ССЦ-^-смеси, с помощью которой были построены модели лазеров на четырех ионных (Х= 533,7; 537,8; 441,6 и 325,0 нм) и двух атомарных (А= 1432,8 и 1648,2 нм) переходах в кадмии. Продемонстрировано удовлетворительное совпадение расчетов каждого из лазеров с экспериментальными данными. Установлено распределение рекомбинационного потока в Не-С(1-плазме по возбужденным уровням атома кадмия. Показано, что в условиях мощной ядерной накачки генерация на переходе 6р3Р1 -> бэ^ (А,= 1432, 8 нм) атома кадмия отсутствует из-за увеличения более чем на порядок величины эффективного времени жизни нижнего уровня вследствие сильной реабсорбции излучения на переходах бБ^! -» 5р3Р0,1,2.

Установлено, что отсутствие генерации на переходе 4с19582 2Оз/2 -> 4(1105р 2Р]/2 иона кадмия с Х= 325,0 нм в условиях ядерной накачки обусловлено паразитным поглощением рабочего излучения метастабиль-ными атомами кадмия на переходе 5р3Р2 -> 7б3с сечением 3-Ю-17 см2. Введение в Не-С<1-смесь электроотрицательной примеси ССЦ приводит к перехвату рекомбинационного потока молекулярных ионов кадмия на отрицательные ионы примеси, приводящему к снижению концентрации в плазме метастабильных атомов кадмия СсГ(5р3Р2) и, соответственно, к уменьшению паразитного поглощения рабочего излучения и появлению квазистационарной генерации на УФ переходе.

Проведено также исследование влияния девозбужяения электронами

верхнего лазерного уровня для УФ линии 325,0 нм. Установлено, что

неупругие соударения ионов кадмия с электронами не приводят к срыву

инверсной заселенности на рассматриваемом переходе даже в том

предположении, что константа указанной реакции превышает расчетную величину З-Ю"9/^ более чем на два порядка. На примере азота изучено

влияние вредных примесей на генерационные характеристики Не-Сё лазера.

В главе 4 представлены кинетические модели, описывающие кинетику смесей Хе-Бг и Хе-Ва при воздействии на них жесткого ионизатора. Приведены результаты оптимизации с помощью этих моделей Хе-Бг и Хе-Ва лазеров на длинах волн 430,5 и 490,1 нм, соответственно. Благодаря прямой накачке верхнего рабочего 6б уровня иона БгП в Хе-Бг-смеси в реакциях перезарядки ионов ксенона на атомах стронция КПД лазера может превышать 3 %. Приведены зависимости генерационных характеристик лазеров от рабочих параметров активной среды, накачки и резонатора.

В главе рассмотрены также кинетические модели источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Хе-Бг и Хе-Ва, излучающих в

спектральных диапазонах 400-500 и 410-560 нм соответственно на переходах атомов и ионов стронция и бария. Приведены оптимальные параметры ламп при ядерной накачке импульсом нейтронов с плотностью потока нейтронов -1015 нейтрон/(см2-с) миллисекундной длительности.

Глава 1. Плазменные лазеры на переходах атомов и ионов

Впервые лазер на парах металла был запущен в начале 1962 г. на переходе 8р2Ру2 8s2Si/2 атома цезия (к= 7,18 мкм) [8]. Оптическая накачка от гелиевой лампы обеспечивала резонансное возбуждение верхнего рабочего уровня в чистых парах цезия при температуре активной среды (АС) 175 °С.

В 1963 г. получена генерация в смесях ртути с инертными газами, сначала на 2-х ИК переходах атома ртути [9], затем на двух ионных линиях ртути в видимом диапазоне [10]: 6150 А (переход 7р2Р3/2 7s2Sj/2) и 5678 А (переход 5f2F7/2 -> 6d2D5/2). Коэффициент усиления на зеленой линии был в несколько раз выше, чем на оранжевой. Оптимальное давление паров ртути составляло 10"3 Topp при давлении гелия 0,5 Topp. Там же сообщалось о получении лазерного эффекта на высоколежащих ИК переходах иона ртути. Ртуть привлекала внимание экспериментаторов легкостью получения достаточных для генерации концентраций паров металла в АС. Уже через 3 месяца насчитывалось 19 лазерных переходов в атоме и ионе ртути в широком диапазоне длин волн [11]. Кроме этого, в [11] обсуждаются конкретные механизмы заселения возбужденных уровней иона ртути в условиях разряда. Обнаружен эффект сильной чувствительности инверсной заселенности на переходе 6150 А иона ртути к температуре электронов плазмы Те. Позже было показано, что единственным механизмом, ответственным за накачку верхнего рабочего состояния для зеленой линии 615,0 нм в смеси He-Hg, является резонансная пер