Кинетика лазерно-активных сред на переходах атомов и ионов с накачкой жестким ионизатором тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

£>.//. тм -¿?з

.¿К .-. ■■•<* л- ->

• \ '

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

президиум

(решение от " // " \ присудил ученую степень,

^ГСйк

1\, N5. //,

На правах рукописи УДК 621.373:621.375:621.328

Карелин Александр Витальевич

КИНЕТИКА ЛАЗЕРНО-АКТИВНЫХ СРЕД НА ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ И ИОНОВ С НАКАЧКОЙ ЖЕСТКИМ ИОНИЗАТОРОМ

(Специальность—01.04.21—лазерная физика)

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1998

Содержание

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................. 6

ГЛАВА 1. ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ II ПОБОЧНОЙ ГРУППЫ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА.................................................. 19

1.1. Приближение жесткого ионизатора................................................ 20

1.2. Кинетика лазеров на переходах атома и иона кадмия.................... 32

1.3. Численное моделирование и оптимизация Cd-лазера................... 40

1.3.1. Численное моделирование кинетики атома кадмия..................... 41

1.3.2. Моделирование и оптимизация Cd-лазера на ионных переходах................................................................................................... 45

1.3.3. Оптимизация УФ лазера с ядерной накачкой (А.= 325,0 нм)......... 59

1.4. Лазеры на ионных линиях цинка и ртути.......................................... 66

1.4.1. Лазер на смеси He-Zn....................................................................... 66 ~

1.4.2. Лазер на смеси He-Hg...................................................................... 75

Выводы к главе 1........................................................................................ 79

ГЛАВА 2. ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ II ОСНОВНОЙ ГРУППЫ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА....................................................................... 81

2.1. Кинетическ&1 модель Sr-лазера.......................................................... 82

2.2. Лазеры на смесях He-Sr, Ne-Sr, He-Xe-Sr.......................................... 86

2.3. Xe-Sr-лазер с Я= 430,5 нм.................................................................. 90

2.4. Лазеры на ионных линиях Са, Ва, Mg и Be........................................ 99

2.4.1. Кинетика активных сред лазер на смесях Не-Са и Не-Ва.............. 99

2.4.2. Кинетическая модель смеси Хе-Ва.................................................. 104

2.4.3. Смеси He-Mg и Не-Ве....................................................................... 110

2.5. Источники линейчатого спонтанного излучения на смесях Xe-Sr и

Хе-Ва............................................................................................................118

Выводы к Главе 2........................................................................................126

ГЛАЗА 3. ЛАЗЕРЫ НА СМЕСЯХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ........................... 129

3.1. Пеннинговский плазменный лазер на неоне........................................ 129

3.1.1. Кинетическая модель Ые-лазера........................................................130

3.1.2. Результаты численного моделирования и оптимизации

Ne-лазера.......................................................................................................134

3.2. Кинетическая модель многоволнового ИК-лазера на ксеноне............143

3.2.1. Основные каналы релаксации............................................................146

3.2.2. Формирование инверсии в чистом ксеноне.......................................150

3.2.3. Формирование инверсии в смеси Не-Хе............................................ 152

3.2.4. Формирование инверсии в смеси Не-Аг-Хе....................................... 153

3.3. Результаты численного моделирования Не-Аг-Хе лазера.................... 154

3.3.1. Чистый ксенон..................................................................................... 154

3.3.2. Смесь Не-Хе......................................................................................... 156

3.3.3. Смесь Аг-Хе.......................................................................................... 161

3.3.4. Смесь Не-Аг-Хе.................................................................................... 166

3.4. Влияние температуры среды на генерационные характеристики ксенонового лазера........................................................................................ 170

3.5. Оптимизация ЛЯН на смеси Аг-Хе........................................................175

Выводы к Главе 3........................................................................................... 177

ГЛАВА 4. ЛАЗЕРЫ С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ НА ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ ХЛОРА, УГЛЕРОДА, АЗОТА И КИСЛОРОДА........................................... 179

4.1. Лазер на переходах атома хлора.............................................................180

4.1.1. Кинетическая модель С/-лазера........................................................... 180

4.1.2. Механизмы создания инверсии на рабочих переходах...................... 183

4.1.3. Результаты численного моделирования Cl-лазера............................. 185

4.2. ЛЯНы на переходах атомов утлерода и азота........................................191

4.2.1. Кинетика плазмохимических реакций в смеси Ne-Ar-N2-C0(C02)-H2-02............................................................................. 191

4.2.2. Лазер на атомарных переходах углерода............................................. 196

4.2.3. Лазер на атомарных переходах азота.............................................203

4.3. Лазер с ядерной накачкой на переходах атома кислорода..................205

Выводы к главе 4..........................................................................................213

ГЛАВА 5. МОЩНЫЕ ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КОРОТКОВОЛНОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА..........................................215

5.1. Лазер на переходе 3 s —» 2р Li-подобного иона азота с накачкой жестким ионизатором...................................................................................218

5.1.1. Кинетическая модель лазера с Х=26.5 нм в ионе азота.....................220

5.1.2. Основные релаксационные процессы в смеси N2-H2 под действием жесткого ионизатора.....................................................................................223

5.1.3. Численное моделирование и оптимизация К2-Н2~лазера.................225

5.2. Требования к активным средам лазеров на ядерных переходах

с плазменной накачкой.................................................................................232

5.2.1. Скорость накачки верхнего рабочего уровня....................................232

5.2.2. Коэффициент усиления в ЛАЭ...........................................................237

5.2.3. Возможные ядерные изомеры............................................................242

5.3. Лазер на ядерном переходе европия с накачкой излучением высокоионизованной плазмы, образованной жестким ионизатором.........243

5.3.1.Расчет пороговой мощности накачки ядерных переходов

от внешнего источника................................................................................244

5.3.2. Накачка тормозным и линейчатым излучением плазмы водородоподобных ионов.............................................................................247

5.4. Лазер на ядерном переходе 152Ей с накачкой излучением высокоионизованной лазерной плазмы.......................................................250

5.4.1. Накачка собственным рентгеновским излучением лазерно-активного элемента........................................................................250

5.4.2. Рентгеновская накачка ядер плазменной лампой.............................252

Выводы к Главе 5.........................................................................................255

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Кинетика ионного азотирования в плазме разряда с

жесткой составляющей.................................................................................258

ПЛ .. 1. Макет плазмохимического реактора для ионного

азотирования.................................................................................................260

П.1.2. Кинетическая модель смеси гелий-азот-водород.............................263

П. 1.3. Результаты численного моделирования............................................266

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................271

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Список плазм охимических реакций в активных средах Не-Ке-СС14, Ме-Аг-Ы2-С0-Н2-02, Не-Ые-02-С0(Ж)), Не-Аг-Хе, Не-Ке-Аг-Н2-N2, Не-Сё Бг, Са, Ва, Ве), Ме-Бг, Хе-Бг, Хе-Ва,

N2^2............................................................................................................283

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................367

Введение I. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Диссертация посвящена теоретическому исследованию кинетики активных сред плазменных лазеров высокого давления и источников спонтанного излучения на переходах атомов и ионов, накачиваемых жестким ионизатором.

Согласно давно установившейся терминологии, плазменными лазерами (ГШ) называются такие оптические квантовые генераторы, в которых активной средой (АС) служит рекомбинационно-неравновесная (переохлажденная) плазма [1]. Под жестким ионизатором подразумевается такое корпускулярное или электромагнитное излучение, которое преимущественно ионизует и возбуждает газ, но слабо взаимодействует непосредственно с электронами образовавшейся плазмы (соответствующая ситуация имеет место при возбуждении среды электронными и ионными пучками, заряженными продуктами ядерных реакций, электрическими разрядами с жесткой составляющей функции распределения электронов по энергии, а также квантами коротковолнового излучения).

Впервые идея усиления электромагнитного излучения в среде, возбуждаемой, в частности, с помощью внешнего облучения "вспомогательным излучением", по всей видимости, была предложена в 1951 году советскими учеными В.А.Фабрикантом, М.М.Вудынским и Ф.А.Бутаевой в заявке на изобретение [2]. Там же говорилось также об использовании примесей, "избирательно разрушающих частицы, находящиеся в нижних энергетических состояниях", и об использовании "явления рекомбинации электронов и ионов для получения частиц на верхних энергетических состояниях".

Однако основополагающие идеи плазменных лазеров были высказаны Л.И. Гудзенко, Л.А. Шелепиным, С.И. Яковленко [3-8] и в дальнейшем последовательно развивались в ряде теоретических работ, нашедших наиболее полное отражение в обзорах и монографиях [1,9-12]. Сюда, в частности, следует отнести и идею создания "реактора-лазера", т.е. устройства, в котором происходит прямое преобразование кинетической энергии заряженных продуктов ядерных реакций в когерентное излучение

[1,7].

Впервые последовательно принцип плазменного (или как его еще иногда называют рекомбинационно-плазменного) лазера был экспериментально реализован в Ростовском-на-Дону университете М.Ф. Сэмом и Е.Л. Латушем [13,14] на ионных линиях щел очно-земельных элементов 5> и С а (подробнее см. [15]), а также в 1972 году сотрудниками ВНИИЭФ (Арзамас-16) при ядерной накачке смеси Не-Хе (см. историю развития работ по лазерам с ядерной накачкой (ЛЯН) в [16,17]).

За последние 25 лет запущен целый ряд плазменных лазеров на переходах атомов, ионов и молекул при различных способах возбуждения. Из основных достоинств этих лазеров отметим: 1) длины волн излучения, лежащие от ИК до УФ диапазонов спектра; 2) низкие пороги генерации, позволяющие использовать ядерную накачку от относительно низкопоточных ядерных реакторов; 3) возможность использования больших объемов активной среды, что приводит к получению больших энергосъемов.

Таким образом, к началу данной работы (1985 г.) уже были разработаны и подтверждены экспериментально основные положения теории плазменных лазеров. Однако, общие положения не давали ответа на вопросы, связанные с возможностями и перспективами конкретных активных сред. Основные трудности здесь возникают из-за огромного многообразия процессов, протекающих в плотной низкотемпературной плазме, и очень скудной информации о них.

Повышение точности согласия теоретических выводов и результатов эксперимента требует, конечно, совершенствования не только измерительной техники, но в первую очередь теории. Целью теории считается анализ связей между наблюдаемыми величинами исходя из базисных непротиворечивых утверждений - законов природы. Для наиболее развитой в естествознании науки - физики характерно рассмотрение в первую очередь простейших моделей - идеализированных схем, в каждой из которых проявляется только один или два таких закона. В реальных опытах рост точности всегда связан с отходом от первоначальной идеализации, но как раз в физике это обычно не приводило к отбрасыванию предыдущего описания, а к постепенному улучшению аппроксимации по мере усложнения модели явления.

Положение меняется, когда с самого начала возникает необходимость учета многих разнородных факторов, формирующих исследуемое явление на равных правах (именно такая ситуация зачастую возникает в АС ГШ высокого давления, где присутствует множество компонентов плазмы участвующих в различных плазмохимических реакциях, среди которых порою невозможно заранее выделить наиболее важные).Трудности проявляются тогда уже на этапе выбора простейшей модели, и во всяком случае - при попытке решения ее уравнений. В этом случае адекватное теоретическое рассмотрение становится возможным лишь по мере прогресса быстродействующей вычислительной техники и создания соответствующих способов расчета. Возникает новая психология исследования, приводящая, в частности, к машинному опробованию возможных моделей явления - к так называемому "математическому эксперименту"[18].

Поэтому для дальнейшего развития в данной области, находящейся на стыке лазерной физики и физики низкотемпературной плазмы, пришлось идти по пути построения относительно громоздких подробных нестационарных кинетических моделей АС ПЛ и их численного анализа на основе специально разработанного в ИОФ РАН в 1985 году комплекса

программ "ПЛАЗЕР". Создание таких моделей необходимо как для оптимизации уже имеющихся лазеров, так и для поиска новых перспективных лазерно- и химически-активных сред, а также для разработки новых устройств и технологий на основе рекомбинационно-неравновесной плазмы. Правильность выбранного пути проявилась особенно отчетливо в последние годы, когда проведение экспериментов стало делом весьма дорогостоящим, и теория должна все более проявлять свою предсказательную силу. Именно этим и обусловлена актуальность данной диссертации, основные результаты которой опубликованы в работах [17, 1970].

Цель работы. В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы было теоретическое исследование кинетики процессов в активных средах ряда ГШ и источников спонтанного линейчатого излучения на переходах атомов и ионов в ИК, видимом и УФ диапазонах спектра для определения предельных выходных и пороговых энергетических характеристик, поиск новых перспективных активных сред и оценка перспектив создания мощных лазеров коротковолнового диапазона на переходах многозарядных ионов и атомных ядер.

Конкретная реализация цели работы предполагала решение следующих задач:

1. Построение на основе единого подхода различных подробных нестационарных кинетических моделей активных сред источников вынужденного и спонтанного излучения на смесях инертных газов, инертных газов с молекулярными газами, инертных газов с парами металлов и молекулярными газами, адекватно описывающих основные релаксационные процессы, протекающие в этих средах под действием жесткого ионизатора.

2. Исследование влияния различных плазмохимических реакций (ПХР) 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.

4. Определение требований к активным средам и источникам возбуждения коротковолновых лазеров на переходах атомных ядер с плазменной накачкой.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

•Впервые на основе единого подхода построены и проанализированы подробные нестационарные кинетические модели АС ПЛ на смесях He-C.d-ССЦ (Х-325.0; 441.6; 533.7; 537.8 и 1648 нм); He-Zn (1=491.1; 492.4; 610.3; 747.9 и 758.8 нм); He-Hg (Х=615.0 нм); Не-Са (Х=373.7 нм); He-Xe-Sr-H2 (X =430.5 нм); Не-Ва (1=490.0 нм); He-Mg (Х=448.1 и 921.8 нм); Не-Ве (Х=177.6 и 467.5 нм); Не-Ые-ССЦ (X I.59 и 2.45 мкм); Ne-Ar-N2-C0(C02)-H2-02 (X -833.5; 859.4; 862.9; 904.6 и 940.6 нм); He-Ne-02-N2-H2-(C0,N0) (Х-2.65 и 2.76 мкм); N2-H2 (Х=26 нм) и активных сред источников линейчатого спонтанного излучения в сине-зеленой области спектра на смесях Xe-Sr (X =400 - 500 нм) и Хе-Ва (Х=410 - 560 нм) с накачкой жестким ионизатором. Рассмотрены механизмы создания инверсной заселенности, а также причины, приводящие к ограничению выходных характеристик на рассмотренных переходах в зависимости от компонентного состава, мощности накачки, температуры и наличия вредных примесей в смеси, проведена оптимизация рабочих параметров рассмотренных источников и изучено влияние отдельных ПХР на диапазоны этих параметров.

•Для лазера на переходах иона SrII (смесь He-Sr) построена более полная, по сравнению с существовавшими ранее, учитывающая принципиально важные для зависимостей выходной мощности от

температуры реакции образования молекулярных ионов Л>2 ~ и реакции Иеннинга на собственном атоме для высоковозбужденных состояний иона, модель. Для лазеров на переходах атомов Ne (2=585.3 нм) и Хе (1=1. 73; 2.03; 2.63; 2.65 и 3.51 мкм) также построены новые более подробные кинетические модели для смесей He-Ne-Ar-H2~N2 и He-Ar-Xe-N2 вместо имевшихся ранее (.He-Ne-Ar и Ne-Hj) и (Ar-Хе и Не-Хе). Необходимость в создании новых кинетических моделей была вызвана необходимостью более адекватного и непротиворечащего спектроскопическим исследованиям описания имеющихся и новых экспериментальных данных на основе единого подхода. В результате удалось определить предельные возможности пеннинговского плазменного лазера на неоне, разобраться с механизмами генерации, влиянием состава и температуры среды в Ле-лазере.

•На основе сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными удалось впервые определить или существенно уточнить константы скоростей ряда важных для рассмотренных активных сред ПХР.

•Сформулированы требования к накачивающим и излучающим ядерным переходам изомерных ядер, на которых, в принципе, было бы возможно получение генерации при накачке ядер излучением лазерной плазмы.

Автор выносит на защиту созданные на основе единого подхода подробные нестационарные кинетические модели активных сред плазм