Спектроскопия активных сред плазменных лазеров в смесях инертных и молекулярных газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ НО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ Томский государственный университет

На правах рукописи УДК 533.93.0i: 621.375.826

Черникова Елена Владимировна

1/\

СПЕКТРОСКОПИЯ АКТИВНЫХ СРЕД ПЛАЗМЕННЫХ ЛАЗЕРОВ В СМЕСЯХ ИНЕРТНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ

(Специальность 01.04.05 -оптика )

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

У

Томск - 1996

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте имени академика В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук А.М. Янчарина,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.П. Демкин,

кандидат физико-математических наук

М.И. Ломаев.

Ведущая организация: институт оптики атмосферы СО РАН, г.Томск

диссертационного Совета К 063.53.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Томском государственном университете по адресу: 634010, г.Томск, пр.Ленииа, 36, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться ь Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан "Ш" 1996 г.

Защита состоится "30- «^-¿М

/Л ¿V

1996г. в '" час, иа заседании

Ученый секретарь диссертационного Совета. кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение физических процессов в рекомбинацнонно - неравновесной (переохлажденной по степени ионизации) плазме представляет интерес в связи с возможностями создания на ее основе плазменных лазеров с высокими энергетическими характеристиками, а также радикального продвижения в коротковолновую область спектра. Физические основы плазменных лазеров и перспективные направления их развития были сформулнрованы а теоретических работах Л.И.Гудзенко, Л.А.Шелепнна, С.И.Яковленко. Уже первые запуски лазеров показали перспективность рекомбинационного принципа создания инверсной населенности уровней и поставили плазменные лазеры в ряд эффективных. Так экснплексные лазеры УФ-диапазона за короткое время достигли высоких энергетических характеристик и нашли широкое практическое приложение. Физические принципы плазменного лазера экспериментально были обоснованы также запуском лнзер<эа видимого диапазона на ионных переходах щелочноземельных элементов в работах Е.Л.Латуша и М.Ф.Сэма.

В связи с прогрессом техники ввода энергии в газ (электронный н ионный пучкн, ядерные осколки, лазерный пробой, модификации импульсных разрядов) были запушены мощные ИК-лазеры на переходах атомов Хе, а также пеннннговскне плазменные лазеры в видимой области спектра. При этом успешные пучковые эксперименты стимулировали новую волну работ по электроразрядной накачке неоновых пеннииговскнх лазеров. Однако, в этих работах практически отсутствовала диагностика пара метров плазмы и механизмов формирования инверсной населенности уровней. Было даже неясно, насколько глубоко можно охладить злеэтроны плазмы. Перспективы дальнейшего развития плазменных лазеров связаны с исследованием и оптимизацией параметров самой плазмы, как активной среды. >

Целью настоящей работы, начатой в 1984 г., явилось экспериментальное исследование свойств рекомбинационно-неравновесной плазмы, выявление основных механизмов формирования инверсии и оптимизация активных сред плазменных лазеров на атомарных переходах Ие и Хе при возбуждении смесей I- 'ртных и молекулярных газов в объемно расширяющейся плазме.

Ее конкретная реализация предполагала решение следующих задач:

• разработка источников рекомбшшрующей плазмы

- развитие методик диагностики

- спектроскопическое исследование оптических и элсктрокинеги-ческих свойств плазмы

-исследование механизмов формирования инверсной населенности уровней

. - оптимизация активных сред н поиск новых лазерных переходов. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках научных программ согласно постановлению ГКНТ и АН СССР >«537/137 от J0.il.85 г. ( программа 0.72.04, раздел 05.115 ) и №284 от 04.08.87 г., а также научно-технических договоров с ИОФ РАН.

Научная актуальность работы подтверждена также включением на конкурсной основе проектов по теме диссертации в республиканскую научно-техническую программу "Наукоемкие технологии" и научные программы Госкомитета РФ по высшей школе "Физика лазеров и лазерные системы", "Фундаментальные проблемы современной физической оптики".

Научные положения, выносимые на защиту: 1. Диапазон параметров обгемно расширяющейся плазмы б Ме-Иг и Не-Хе смесях: N0 = 3 10" - 2 10!» см 3, N. = 10м - 10»« см , Те =0,2 - I эВ, Тг - 0,05 - 0,2 эВ является оптимальным для формирования активных сред плазменных лазеров на Зр-Зз переходах атома неона и 6р-5(1 переходах атома ксенона.

2. Результаты исследований оптических и электрокииетическнх свойств объемно расширяющейся плазмы, как активной среды Ne-плаэмениых лазеров:

а) квазистационариый режим генерации с энергией 150 мкДж реализуется на Я =585,3 нм Ne в Ne-Нг смеси при соотношении Ne: His 1:1;

б) активные среды на основе тронных смесей инертных и молекулярных газов Ne- № - Y ( Y= Аг, Кг, Хе, N2 , СОз) обеспечивают повышение мощности и КПД генерации на X = 585,3 нм Ne в пределах порядка величины;

в) генерация в режиме ¿верхизлучения на новых линиях атома неона в видимой области спектра А. = 5S8, i; 650,6 и 653,2 им наблюдается в условиях с го л к я о a irre л I. i i о г о перемешивания Зр- а Зз-уров ней атомами Ne и молекулами На.

3. Многоппчковый режим генерации на X = 2,03 мкм Хе в с?;гси Не-Хе обусловлен сменой механизмов формирования инверсна в процессе объемного расширения плазмы, а также влиянием метастабнлышх состояний.

4. Спектр рекомбннационно-неравновеспой плазмы гелия в диапазоне Я = 230-800 нм содержит контшшумы с X max = 370 и 600 нм, связанные с излучением ионных молекулярных комплексов.

Научная новизна работы заключается в следующем :

исследован механизм формирования широкополосного молекулярного излучения плазмы гелия в видимой области спектра;

- выявлены услозня образования объемно расширяющейся плаз мы с пространственно-временной модуляцией параметров;

- реализована генерация в режиме сверхизлучепия на новых 3p-3s переходах атома неона в видимой области спектра;

- исследованы новые активные среды для Ne-псннинговских плазменных лазеров;

- исследован механизм многопичковой генерации на X = 2,03 мкм Xcl в термодинамически противоположных относительно равновесия условиях возбуждения.

Достоверность результатов подтверждается:

- непротиворечивостью экспериментальных данных о параметрах плазмы с результатами других авторов;

- реализацией режимов генерации лазерного излучения в условиях экспериментального наблюдения инверсной населенности уровней.

Практическая ценность работы:

- получен большой -объем спектроскопической информации о параметрах рекамбинационно-неравновесной плазмы в смесях инертных и молекулярных газов;

• разработан высокошгтенснвный источник широкополосного излучения инертных гаюо в видимом и УФ- диапазоне спектра ( A.C. № 1266450);

• созданы многокомпонентные активные среды на основе смесей инертных и молекулярных газов, повышающие мощность и КПД генерации лазера на К = 585,3 нм Ne по сравнению с Ne-Hi смесью в 3-10 раз (A.C. Mj 1632320). Разработан лабораторный макет Ne-лазсра на X = 585,3 ны;

- предложена Ne-Ch гаювая среда для гшазмохимического травления полимерных материалов (положительное решение от 29.09.92 г. по заявке на патент >05019161 от 15.01.92 г.). лоззоляюшая по сравнению с чистым кислородом в 2-3 раза повысить скорость трашшшя фотораиста в производстве микросхем.

Апробация работы и публикации. Материалы, ьощедшие в диссертацию, доложены я обсуждены на следующих конференциях:

i. II Всесоюзная конференция молодых ученых и специалиста "Теоретическая и прикладная оптика", 1986 г,, г .Лашиграл

2. Всесоюзное совещание "Инверсная заселенность и генерация на переходах атомов и молекул", 1986 г., г.Томск.

3. Рабочее совещание "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров", 1987 г., г.Гродно.

4. Всесоюзный семинар "Процессы с участием возбужденных атомов",1988 г., г.Ленинград.

5. XX Всесоюзный съезд по спектроскопии, 1988г., г.Киев.

6. Всесоюзный семинар " Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров", 1989 г., г.Лохусалу.

7. Всесоюзный семинар "Лазеры на парах металлов и их применение", 1989 и 1993 г.г., г.Ростов-иа-Дону.

8. V Всесоюзная конференция по физике газового разряда, 1990 г.,

г.Омск.

9. Международный симпозиум "Плазменные и яазерно-стимулированные процессы в микроэлектронике", 1990 г., г.Ростов Великий.

10. XI Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений (Х1-ВКЭАС), 1991 г., г.Чебоксары.

11. I и И Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул", 1992 и 1995 г.г., г.Томск.

Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях, 7 тезисах докладов, 2 авторских свидетельствах и 1 положительном решении на патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения и заключения. Работа содержит 149 стр., 50 рисунков, 5 таблиц и 155 наименований в списке литературы, СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, их научная новизна и практическая значимость. Представлены научные почоження, выносимые на защиту.

В первой главе дан краткий обзор работ, в которых изложены основополагающие принципы плазменных лазеров. При этом проблема формирования рекомбинационно-неравновесной плазмы является одной из важнейших в физике лазеров. Прч последовательной реализации принципа плазменного лазера необходимо ввести энергию в среду таким образом, чтобы основная ее часть пошла на ионизацию среды, затем быстро и эффективно охладить электроны плазмы. Среди механизмов охлаждения электронов наибольший интерес представляют столкновения с атомами легкого буферного газа гелия, а также с частицами молекулярной примеси, в частности, водорода. Обсуждены возможности формирования инверсной населенности уровней с участием реакции Пеннипга, при этом рассмотрены условия девозбуждения нижнего рабочего уровня легкоионизуемой примесью, а также рекомбинационного заселения верхнего рабочего состояния.

Во второй главе представлена экспериментальная техника возбуждения плазмы и оптические методы се диагностики.

Для формирования рекомбинационно-неравновесной плазмы предложен и разработан оригинальный источник на основе импульсного продольного разряда с предьгонизацин, который обеспечивает объемное расширение пространственно локализованной плазмы. Его преимущество заключается в возможности создания больших объёмов переохлажденной плазмы при повышешюм (вплоть до атмосферного) давлении газа. В связи с тем, что процесс рекомбинации "растягивается" в пространстве и во времени, возможно наблюдение целого ряда механизмов образования инверсии и достижения длительной генерации. Высокая степень ионизации (до 104), достигаемая в этой плазме, делает ее привлекательной для поиска генерации как па атомарных, так и на ионных переходах, в частности, инертных газов. Для исследования использовалась также плазма, образованная при разлете через сопло типа Лаваля. Была использована единая электрическая схема питания с варьируемыми параметрами.

Формирование импульса тока длительностью т°'5= 1-3 мкс осуществлялось при разряде через тиратрон рабочей емкости, заряженной от высоковольтного выпрямителя до напряжения U=l-25 kB. Схема позволяла работать в режиме одиночных импульсов, а также с частотой следования импульсов до f=5 Гц. Рабочий диапазон давлений р=30-700 Topp.

Для исследований использован спектрально-диагностический комплекс, позволяющий в рамках одного эксперимента исследовать спектральные, временные и энергетические характеристики спонтанного и лазерного излучения, з также параметры плазмы в широком диапазоне условий. Использовался набор спектральной аппаратуры (ИСП-28, ДАС-2, ДФС-13, МДР-2), обеспечивающий фотографическую и фотоэлектрическую регистрацию спектра, в том числе с высоким спектральным разрешением, в диапазоне А = 0,2-2,5 мкм.

Для исследования пространственно-временной структуры разлета плазмы и диагностики активных сред применялся также лазерпо-диагностический комплекс на основе интерферометра Рождественского. Для поиска новых лазерных переходов использован метод "инверсных" крюков, позволяющий однозначно зафиксировать переход от равновесной заселенности уровней к инверсной.

Обсуздены критерии применения методов опредея; :шя температуры электронов в рекомбинациолно-неравноаеснои плазме, а также особенности диагностики нестационарной плазмы мощных импульсных разрядов по штарковскому контуру линий водорода. Разработана методика определения концентрации электронов, основанная на использовании линий водорода, ионных и атомных линиях гелия па различных стадиях импульсного разряда.

Третьи глава посвящена исследованию оптических и злектрокинетнческих свойств объемно расширяющейся плазмы. Условия формирования рекомбинационио-неравнозесной плазмы анализировались

в плазменной струе, образованной при разлете через сопло типа Лаваля и при расширении объемно локализованной плазмы продольного разряда.

Небходимым предварительным этапом диагностики являлось установление характера неравнов^сности плазмы, критериев существования частичного ЛТР и выбора методов достоверного определения кинетических температур всех компонент плазмы. Основное внимание было сконцентрировано на изучении пространственно-временных распределений важнейших характерсгик плазмы - концентрации и температуры Т, электронов, температуры Тг газа и населенностей уровнен Ы*. Основные закономерности в поведении этих параметров иллюстрируются на рис. 1. В результате исследований, проведенных в чистом гелии и смесях Не-Хе, Ые-Нг, Ые-Аг, Ые-Нг-Аг обоснована возможность формирования рекомбинационно-неравновесиой плазмы в диапазоне параметров: N0 = 3 10"-2 10'» см-3, N. = ЮЧ-51016 см-\ Т. = 0,2-1,0 эВ, Тг = 0,05-0,2 эВ, представляющих интерес для получения инверсной населенности уровней и создания плазменных лазеров.

Спектр излучения в смесях инертных и молекулярных газов характеризуется интенсивным излучением многократных ионов, что подтверждает измеренную экспериментально высокую (а~10-2) степень ионизации плазмы. В Не-Хе смеси высокая концентрация заряженных частиц (> 10'14 см-5) сохраняется в послеимпульсном периоде более 20 мкс.

Механизм образования электронов в стадии распада плазмы обусловлен ионизацией Пеншшга с участием метастабильных атомов, а с ростом давления преимущественно метастабильных молекул гелия. В процессе объемного расширения Не-Хс плазмы реализуется несколько механизмов заселения уровней атома Хе, что дает возможность формирования активной среды для лазера на переходах ксенона с большой длительностью генерации.

В смесях неона с водородом за счет эффективного охлаждения электронов молекулярной примесью реализована квазистационарная

ы 16 12 8 4

Т,10*К

Не. см3 -6

т

\ 'Те\ -

1 Y

iJ — «

y\J в 16 U t,mc

4

2

НО 9

7

5Ю1

ts

Рис.1. Релаксация во времени температуры газа (Тг), электронной концентрации (Nc) н температуры (Тг). i -импульс тока, рне=83 Topp, рн,= 1 Topp, U=I3 кВ, /=1-3 мм.

iO

5

са

8-

8 12 J^tc

¿Л^С-1-

4*™'i 12 46 20 t МКС

Рис.2.Временная зависимость населенности уровней перехода Л-653,2 нм

Nel и концентрации электронов. рке=35 Topp; рн|=0(1,1'); 7(2,2'); 20 Topp (3).

рекомбннационно-неравновешая плазма. Методом крюков измерены населенности Зз-уровпей неона в Ne-Нг и Ne-Ar смесях. Эти данные при условии М„/ ga » NB / ga позволили сделать оценку температуры газа в неоне и смесях Ne-Ш и Ne-Ar. Так в смеси Ne-H: при рнс=35 Topp и рн,=7 Topp TrS 0,23 эВ и нижний 3s'[i/2]1- уровень перехода Х=585,3 им уже при соотношении Ne:H2=5:l перемешивается с нижележащими уровнями 3s-блока. Влияние аргона на параметры Ne-Ar плазмы резко отличается от водорода. Это связано с тем, что охлаждение электронов практически отсутствует, и процессы рекомбинации затруднены.

Характерные зависимости заселенностен уровней от давления девозбуждающей примеси представлены па рис.2. В смеси Ne:H2=35:7 (Topp) методом крюков зарегистрирована инверсная населенность на переходе л-585,3 нм Ne. Оценка коэффициента усиления показала, что при достигаемых в объемно расширяющейся плазме параметрах возможно получение генерации в режиме сверхизлучения. Обнаружено, что при эффективном рекомбинационном заселении Зр-уровней неона в условиях столкновнтельного перемешивания уровней возможно формирование инверсии и на других 3p-3s переходах Ne.

В этих нее условиях на основе интерферограмм разлета методом сдвига полос исследована пространственно-временная структура формирования объемно расширяющейся плазмы. Измерения показали, что скорость распространения ударной волны в начальный момент составляет (1,5-2)105 см/с, плазмы - !05 см/с. Плотность атомов в зоне ударной волны достигает ~ 10" см*3; концентрация электронов (наибольшая в смеси Ne-Нг-Аг) достигает 61016 см-3. При обработке интерферограмм обнаружена пространственно-временная модуляция всех параметров плазмы с частотой Мгц (рис.2). При вариации геометрической формы предыоннзатора выявлены тенденции появления, усиления и исчезновения колебаний плазмы. Установлено, что пространственно-временная модуляция

параметров возникает за счет упругих колебаний плазмы в межэлектроднои промежутке переменного сечения на начальной стадии объемного расширения. Использование предьюнизатора прямоугольного сечения с постоянным межэлектродньт зазором привело к полному исчезновению периодической структуры.

В заключении главы представлены данные о наблюдении коитиниуалыюго спектра в переохлажденной плазме гелия. Обнаружено, что при давлениях рце= 100-300 Topp появляется и существенно растет по интенсивности широкополосное излучение в области 1=230-800 им с максимумами Хгалх=370 и 600 им. Для выяснения, природы наблюдаемых континнумов и закономерностей их формирования исследовано поведение всех излучающих компонент плазмы гелия в зависимости от давления, энерговклада и концентрации примесных газов (Ne, Ar, Кг, Хе, N2, СОг). Проведенные исследования дают основание считать, что в образовании континнумов важную роль играют атомарные ионы гелия, а также метастабияьные атомы и молекулы гелия. Отсутствие данных о структуре термов сложных молекулярных комплексов гелия не позволяет'определить, каким переходам соответствуют наблюдаемые контшшумьг. Анализ условий формирования спектров дает основание предположить, что они могут быть связаны с излучением возбужденных ионно-молекулярных комплексов гелия На"или HeVua разлетные термы.

Четвертая глава посвящена исследованию параметров активных сред и характеристик генерации плазменных лазеров'на переходах ксенона и неона в смесях инертных и молекулярных газов.

Апробация усилительных свонста переохлажденной плазмы, рассмотренной в З-eii главе, проведена иа переходе Хе X—2,03 мкм, для которого кинетические механизмы формирования инверсии хорошо изучены.

Согласно данным о временном распределении шггеисивиостей линш:. Хе, температуры и концентрации электронов в Не-Хе плазме реализуется.

и

несколько механизмов заселения уровней Хе: прямое электронное возбуждение, рекомбинация, реакции Пеннинга с участием метастабильных частиц гелия. В зависимости от компонентного состава смеси и энерговклада • они играют свою роль в формировании инверсной населенности уровней атома ксенона. Наиболее ярко эти особенности проявляются на переходе 5d[3/2]i-6p[3/2]i Х-2,03мкм Хе. При переходе в процессе разлета от перегретой к переохлажденной плазме в Не-Хе смеси на А,=2,03 мкм Хе наблюдается генерация в термодинамически противоположных относительно равновесия условиях. В зависимости от условий возбуждения в течение одного импульса накачки (т°'5=2,5 мкс) реализуется до трех импульсов генерации общей длительностью более 20 мкс(рис.З, а).

Анализ формирования многопнчковой генерации показал, что первые два импульса обусловлены прямым электронным и последующим рекомбинационным заселением уровней. Третий максимум, возникающий с ростом давления (¿100 Topp) в далеком послесвечении связан с рекомбинацией ионов Хе, образованных в реакциях Пеннинга с участием метастабильных атомов и молекул гелия. Этот механизм подтверждается в условиях генерации в тройных смесях He-Xe-Ne(Ar). Примеси Ar и Ne, эффективно разрушающие метастабильиые состояния гелия, приводят к снижению интенсивности спонтанного излучения в далеком послесвечении, а такке к гашению импульса генерации (рис.3, б-в).

Следует отметить, что при давлении Не-Хе смеси выше 300 Topp появляется импульс генерации на 30-40 мкс после прохождения тока. Его появление связано с плазмой, отраженной от стенки лазерной кюветы.

Генерация па переходе атома неона 3p'[l/2]o-3s'[l/2]° >=585,3 нм реализована в смеси Ne-Hs при соотношении компонент смеси Ne:lh-3:1-1:1, общем давлении смеси 60-100 Topp. Амплитудно-временные

150(а); рлг= 2 Topp; U= 9(6,в), 15 кВ(а); C= 0,25 мкФ.

2 AS t>MC 2 b В Ь.мхс

Рнс.4. Временной ход импульса тока (I) и генерации (2,3) иа тл

неона п смеси Ne-Hi при p»t=30 Topp; рк=!5(2); 30 Торр(З); U=12 kB. Рис.5. Временная зависимость величины гпшерши иа переходах неона Х=585,3(1); 588.2(2); 594,4(3); 653,2(4); 650 6(5) и 659,9 км (6). р^=35; ри=30 Topp; U=I 1.5 кВ; / =0.6 кЛ.

характеристики лазерного излучения и условия эксперимента иллюстрируются на рис.4. Анализ параметров плазмы показал, что достаточно высокая примесь водорода (£50%) формирует рекомбинационно-неравновесную плазму на импульсе тока. Это позволяет реализовать квазистационарный режим генерации. При токе разряда 4-6 кА, давлении смеси 60 Topp и соотношении Ne:H2=i:I максимум генерации длительность^) т°'5=3 мкс совпадает с максимумом тока. Минимальная задержка генерации относительно импульса тока составляет ~400 не. Квазистационарная генерация при активной длине 40 см наблюдается в режиме сверхизлучения. Энергия излучения лазера в резонаторе с пропусканием выходного зеркала 50% составляет ~ 150 мкД ж.

Механизм формирования инверсной населенности уровней па переходе Х=585,3 ны неона исследован методом крюков. Установлено, что инверсия возникает при соотношении компонент смеси Ne:H2=5.T и достигает максимального значения при Ne:Hi=l:l, что согласуется с режимом генерации.

Методом крюкоз Рождественского проведен также поиск инверсной населенности на 3p-3s переходах Ne. Исследованы смеси Ne-Ar, Ne-Fh и Ne-Ш-Ar. Показано, что примесь Нз и Аг снижает населенность ЗБ-уровнен и сохраняет высокой концентрацию электронов в послесвечении. Это свидетельствует об эффективном девозбуждешш данных уровней в реакциях Пенииига. Однако, инверсия наблюдалась только в смесях с водородом, так как в Ne-Ar затруднены процессы рекомбинации. В смесях Ne-lh и Кс-Нг-Аг в диапазоне 580-660 им обнаружена инверсная населенность и генерация в режиме сверхизлучения еще на пяти переходах неона, на /.=588,1; 650,6 и 653,2 им впервые (рпс.5). Наблюдается характерная для этой плазмы временная модуляция иаселенностей уровней.

Для ноиышаыя энергетических характеристик и КПД лазера на Х=5Ь5,3 им Ne! предложено использовать активные среды на основе

тройных смесей Ке-Ш-У (У=Лг, Кг, Хе, N2, СО:). Проведенные исследования показали, что только за счет изменения компонентного состава среды без повышения энерговклада в разряд достигается реальное увеличение мощности генерации в пределах порядка величины. Наибольшее усиление генерации наблюдалось в смеси Ые-Нг-Аг. Примесь аргона приводит к дополнительному девозбуждению нижнего уровня за счет более высокого по сравнению с Ш эффективного сечения пеннинговского процесса.

В качестве Приложения представлены модификации интенсивных источников излучения, на основе продольного разряда с предыоинзацней, рассмотрены условия1 эффективного возбуждения атомов тугоплавких металлов в импульсном режиме и предложена газовая среда для плазмохимическон обработки материалов.

Основные результаты работы:

1. Экспериментально реализован диапазон параметров объемно расширяющейся плазмы в Ые-1Ь и Не-Хе смесях: N0=31017-!019см"3; Мс^Ю'МО"5 см-3; Те = 0,2-1 эВ, Тг = 0,05-0,2 эВ, оптимальный для формирования активных сред плазменных лазеров на переходах атомов неона и ксенона.

2. При объемном расширении пространственно локализованной плазмы наблюдается пространственно-временная модуляция ее параметров. Установлено, что модуляция параметров плазмы осуществляется за счет упругих колебаний в межэлектродном промежутке переменного сечения на начальной стадии объемного расширения.

3. Для поиска новых спектральных переходов с инверсной населенностью уровней использована методика, основанная на формировании, регистрация и обработке "инверсного" крюка при зондировании плазмы сллборасходящкмся пучком широкополосного лазерного излучения наносехундиой длительности.

4. В смеси Ne-Hj на А.=585,3 нм атома неона реализована квазистационарная генерация в режиме сверхизлучения с энергией 0,15 нДж в импульсе длительностью 3 икс. Предложены и исследованы активные среды на основе тройных смесей Ne-Hj-Y (Y=Ar,Kr,Xe,N2,CCh), позволившие в пределах порядка величины повысить выходную мощность и КПД лазера. Разработан лабораторный макет Ые-лазера на >.=585,3 нм.

5. Методом "инверсных" крюков Рохсдественского проведен поиск инверсной населенности на новых спектральных переходах в видимой облает» спектра. В леннингоаскнх смесях Ne-Нг и Ne-Нг-Аг обнаружена инверсная населенность и генерация в режиме сверхизлучения на новых Зр-3$ переходах Ne X=5S8,1; 650,6 и 653,2 нм. Наблюдается характерная для этой плазмы модуляция населеиностей уровней.

6. В Не-Хе смеси при переходе в процессе разлета от перегретой к переохлажденной плазме наблюдается многопичковый режим генерации на . Х=2,03 мкм атома Хе. В зависимости от условий возбуждения при накачке среды импульсом тока длительностью ти5=3 мке реализуется до четырех импульсов генерации общей длительностью более 20 мкс.

?. В условиях возбуждения He-Re плазмы в сегментированном искровом источнике показана возможность получения высокой (¿510" см1) концентрации атомов тугоплавких металлов. Реализована рекомбинационио-неравновесная He-Re плазма с параметрами, достаточными дня создания плазменных лазеров.

8. Предложен компонентный состав газовой среды на основе смеси кислорода с неоном, позволяющий в два - три раза увеличить скорость плазмохимического травления полимерных материалов, в частности, фоторезиста для Зьдач микроэлектроники. Интенсификация травления обусловлена процессом образований возбужденных атомов кислорода при передаче энергии от ыетасгабильных атомов неона .

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Черникова Е.В., Янчарина A.M., Муравьев И.И. Излучение Не-Хе смеси

в расширяющейся плазме // Тезисы докл. И Всес.конференции молодых ученых "Теоретическая и прикладная оптика".-Л..1986.-СЛ99-200.

2. A.C. 1266450, МКИ-Н01 j 17/00. Импульсный источник плазмы с. продольным разрядом / И.И. Муравьев, Е.В. Черникова, A.M. Янчарина. • Бюл. №39.-1986. Заявлено 28.01.1985 г.

3. Куров B.C., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Новые молекулярные полосы в рекомбинируюшей гелиевой плазме ¡1 Тезисы докл. Всес. сов. "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах". - Томск: Изд.ТГУ, 1986. - 4.1. - С. 24-25

4. Бурлакол В.Д., Муравьев И.И., Солдатов А.Н., Черникова Е.В., Янчарина А.М.Возбуждение атомов рения в импульсном разряде II ЖПС. -1987.-Т. 46.-№ 1.-С. 28-32.

5. Муравьев И.И., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Генерация на X = 585,3 им неона в смеси Ne-H2, возбуждаемой продольным разрядом И Ред. журн. "Изв. вузов.Физика". - Томск, 1987. - 14 с. Деп. в ВИНИТИ. № 7305.

6. Муравьев И.И., Черникова Е.В., Янчарина А.М. Квазисгационарна.т генерация на X = 585,3 им неона в смеси Ne-Hj, возбуждаемой продольным разрядом с иредыоиизацией7/ Квант, электр. - 1989. - Т. 16.-№2. -С. 189-194.

7. Черникова Е. В., Янчарина A.M. Два механизма формирования инверсии

в газоразрядном лазере на X = 2,02 мкм Xet при средних давлениях // Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". Томск, 1989. - 49 с. - Деп. в ВИНИТИ ДЙ5162-В89.

8. Горбунова Т.М., Михайличенко Ю.П., Черникова Е.В., Янчарина А.М.Динамика заселенносгей Зэ-уровней неоиа в Не-Н2 плазме, возбуждаемой продольным разрядом // Ред. журк. "Изв. вупв. Физика". - Томск. 1990. - 27с. - Деп. в ВИНИТИ. №4331.

9. Держиев В.И., Горбунова Т.М., Мнхайлнченко Ю.П., Черникова E.B., Яковленко С.И., Янчарина A.M. Инверсная заселенность на новых переходах атома неона в видимой области спектра // Квант, электр, -1990. - Т. 17. - № 10. - С. 1283-1284.

10. A.C. 1632320, МКИ-Н01 S 3/22. Рабочая среда лазера на атомарных переходах неона // Е.В. Черникова, A.M. Янчарина. - Бюл. № 8. - 1991. Заявлено 26.07.1989 г.

П. Бердников A.A., Блинов Г.А., Буланьков Н.И., Замараев К.А., Любимов В.К., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Газовая среда для плазмохимического травления фоторезиста.Заявка на патент № 5019161 от 15.01.92. Положительное решение от 29.09.92.

12. Скакун B.C., Тарасенко В.Ф., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Излучение плазмы плотных смесей инертных газов И Изв. вузов. Физика. - 1992. - № 1. - С. 66-73.

13. Куров B.C., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Молекулярное излучение в рекомбинирующей плазме гелия II Изв. вузов. Физика. - 1992. - № 11. - С. 20-29.

14. [Муравьев И.И.1, Черникова Е.В., Шатова Л.Д., Янчарина A.M.

Диагностика рекомбинационно-неравновесной плазмы гелия // Изв. вузов. Физика. - 1992,- Me 11. • С, 15-19.

15. Куров B.C., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Излучение рекомбинирующей плазмы гелия//Труды ИОФ АН.-1993.-Т.42.-С.40-50.

16. Черникова Е.В., Янчарина A.M. Влияние примесей инертных и молекулярных газов на эффективность генерации неон-водэродного плазменного лазера на Х=585,3 нм неона // Известия вузов. Физнка.-1996,-№ 4-C.S$s,o.

17. Черникова Е.В., Винарский М.В., Янчарина A.M. Об эффективности девозбуждения уровней неона в плазме с примесью аргона II Известия вузов. Физика.-19%.4.-C.6I-62.

Заказ ?8Б Тираж 100

ТйасЕ, пр Ленина. АО. ТАСУР