Спектроскопия переохлажденной плазмы и плазменные лазеры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

рГ6 он

■- НОЯ 1555

На правах рукопь^и

Янчарина Александра Макаровна

СПЕКТРОСКОПИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОЙ ПЛАЗМЫ

И

ПЛАЗМЕННЫЕ ЛАЗЕРЫ 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора фнзико-матеы, гических наук

Томск -1995

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

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор Ю.А. Толмачов, доктор физико-математических наук, профессор О Н. Улеников, доктор физико-математических наук

В,П. Лопасов

Ведущая организация : инслпугобщей физи и РАН, г. Москва

Защита состоится '995 г. в М- час. на

заседании диссертационного Совета Д 063.53.02 при Томском государственном университете (634010, г. Томск, пр. Ленина, 36)

С диссертацией' можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского университета

Автореферат разослан - Э - 4,1 М г.

Ученый секретарь _ ____л_„

диссертационного Совета /'/'С -{¡■/(<С-/у- ^^ Б.Н. Пойзнср

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Проблема создания рекомбинацнонно-иеравновесиов (переохлажденной По пепсин ионизации) плазмы с высокой концентрацией заряженных частиц и одновременно блнкой * тепловой ин-ргигЛ термализованны электронов одна tn актуальны* в фишке неравновесной низкотемпературной плазмы. С 2о решением свямно освоение нового уровня исследований в спектроскопии эксниерных « эксшшексных молекул coi.whhc уникальных источников cnoirraHiioro и Koivpcimioio игтучения и развитие эффективных плаз (синих технологий. Сильно переохлажденная, существенно нендеальная плазма привлекает внимание исследователей в связи с проблемой шаровой молнии.

Наибольший ншерес представляет не, сохлажлениая плазма как актнвн&я среда для лазеров. И минувшие два десятилетня сформировался новый класс лазеров - плазменно-рекомбинационные лаюры. Их гчкныушестм связаны с высоки ин »icpivni'icVKHMU харахтеристикамн лаюрно!« излучения на nepexo.'iax тонов и молекул в УФ. видимой- и ИК областях спектра, а также с ¡юзможностъю раднкхчьною продвижения в коротковолновый диапазон ..а переходах многозарядных нонов.

Основополагающие идеи плазменных junqwe были высказаны Л.И. Гудзенко, /I.A. Шелешшым, ' И. Яков. л!Ко н в дальнейшем последовательно развивались в теоретических работах лой школы. В семидесятые годи были разрабогалы ключевые вопросы физики втащенных лдзероа : принципы формирования переохлажденной шизиы И анхип ыеханнчаов достижения инверсной насел' чности в рекомбинационно- неравновесной плат и е. теория лазеров на электронных переходах разлетных молекул, проблема усиления езега в далеком УФ-днапазонс на переходах иногозарядных нонов и создания реактора-лазера. Для реализации кваднаанионарного режима переохлажденной плазмы пре.'шожено использовать возбуждение электронны ми пучками.

Экспериментальные исследования, несмотря на ряд осуществленных принципиально вален их работ, не получили в то t.-еыя непосредственного развития.

Впервые последовательно принцип 'ьгшменно-рекойбиианионното лазера экспериментально реализован в работах Е.Л. Латуша и М.Ф. Сэмг на ионных переход;« щелочпо-зеысльных элементов. В 1972 • 1975 гг. зал уш сны лазеры на дни ерах инертных газов к эксиилекснис лазеры, наиболее перспективные по КПД и энергии излучения среди лазероа видииого п ближнею УФ-диапазоноп спектра.

К началу данной работы (1977 г.) определился круг задач по дальнейшему развитою плазменных. лазеров, связанных с поносом и прогнозированием новых активных сред для лазеров видимого диапазона, созданием коротковолновых, в том числе рентгеновских лазеров, моделированием лазерных установок как элемента технологического оборудования. При этом важное место отводилось развитию квазистационарных способов накачки сред на основе смесей плотных, газов мошны мн электронными и ионными пучками, исследованию разлетающейся плазмы лазерного пробоя, созданию эффективных газоразрядных источников возбуждения рекомбинируюшей плазмы. Плодотворной представлялась идея столкновительного девпзбуждения нижних рабочих уровней легкононизуемон примесью в пеннинговских смесях газов при квазиепшионариой накачке электронным п\ ikom или ядерными осколками.

Однако прямые иопьпки получить генерацию в диапазоне >. < 50 им на переходах многозарядных ионов без предварительной программы спектроскопических исследований не увенчались успехом. Эксперименты по реализации квазистаиионарного плазменного лазера с пеинннговской очисткой нижних рабочих уровней атома гелия при пучковой накачке смеси Не - Нг закончились неудачей. Был сделан ошибочный вывод о нереальности квазистацисчарного плазменного лазера с пучковой накачкой, что отрицательно сказалось на развитии пешшнговских плазменных лазеров.

В 80-е годы экспериментальные исследования по плазменным лазерам сосредоточились в основном в нескольких отечественных научных центрах : ИОФ РАН и ФИ РАН (г. Москва); РГУ (г. Ростов-на-Дону); ИСЭ СО РАН, СФТИ и НИИ ЯФ ТПУ (г. Томск), а также Bell Laboratories (New Jersey, USA). Однако в проводимых исследованиях отсутствовал комплексный подход к созданию плазменных лазеров, связанный с изучением параметров активной среды, моделированием механизмов инверсии, прогнозированием лазеров. Рыло осознано, что дальнейшее развитие плазменных лазеров определяется глубоким пониманием физических процессов в переохлажденной плазме как активной среде. В связи с этим среди общих задач физики плазменных лазеров, связанных с выбором схем инверсии, методов ввода энергии и способов охлаждения среды, приоритетной стала проблема формирования переохлажденной плазмы с оптимальными параметрами на основе детальной спектроскопической диагностики ее характеристик и создания активных сред плазменных лазеров. При этом представлялось целесообразным моделирование плазмы в системах газоразрядного типа, допускающих вариацшг параметров и их спектроскопическую диагностику в широком диапазоне условий.

В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы явилось исследование оптических и электр^кинетических свойств переохлажденной

плазмы и создание на се основе активных сред плазменных лая-ров оптического диапазона.

Ее конкретная реализацьл предполагала решение следующих задач :

V разработка оригинальных систем возбуждения плазмы;

* развитие методов оптической диагностики рекомбинациоино-неравнсесной плазмы;

» спектроскопическое и згелояание характеристик излучения и параметров переохлажденной платы;

>. поиск эффективных механизмов формирования инверсной насепеннотм уровней;

у поиск новых активных сред н новых спектральных переходов для шшменно-рекоибинзциокных лазеров видимою диапазона;

V разработка макетов лазеров и 1е алогических приборов на основе переохлажденной шшиы.

По своему содержанию работа носит комплексный характер и связана с понског способов получения рекомбннацмонно НСрОЛНОЖХНОЙ плазмы, жеперимоиалыюй диагностикой полного набора параметров платы, теоретический и экспериментальным моделированием физических процесс«! л активных сред-и, созданием ачтнянш сред н разработкой лабораторных макетов шш мен к их ланч» в.

Экспериментальные исследования б-дзируытсм на оптических истодах диагностики, основанных на излучении, попюшеь.ш и иитерферешт.. саега. Методы теоретического моделирования актииных еред основана на рассмотрении радиациошючлодановигельноЗ кинетики плазмы с использованием современных данных о константах скоростей ллазмохн и н ческ нх процессов.

Работа по теме диссертации была включена в програм и у 1КНТ "Создание и производство лазерной техники для народного хозяйства" (раздел 05.02). Она являлась основой для выполнения НИР согласно постановлению ГКНТ № 2о1 от 22.06.78; постановлению ГКНТ н Академии наук М) 573.137 от 10.11.85 (программа 0.72.04. раздел 05.115) и № 284 от 04 08.87 г.

Научная актуальность работы подтверждался включением на конкурсной основе проектов автора в республиканскую научно-техническую программу "Наукоемкие технологии" и научные программы Госкомитета по гысшей школе "Фундаментальные проблемы физики фотонов и частиц низких энергий", "Фиэи-ка лазеров и лазерные с. сгеыы', "Фундаментальные проблемы современной физической оптики", "Конверсия и высокие технологии. 1994 • 1996 гг."

I iАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Широкопопосный спектр излучения рскомбинационно-неровновесной плазмы гелия при давлениях 50 + <50 Topp в диапазоне Л = 230 *- 800 нм формируется за счет новых молекулярных полос Х,пшх - 370 и 600 нм, возбужденные состояния которых образуются в процессах столкновений с участием мсгастабнльных атомов Не* и мета стабильной молекулы НеД при этом наблюдаемые полосы связаны с излучением молекулярных ионов Нег'** нли Hej** на разлегные термы.

2. Критерием экспериментальной реализации пеннинговского механизма образования инверсии в плазменном лазере служит определение пороговой концентрации легкоионизуемой примеси для девозбуждения нижнего н верхнего уровней спектрального перехода в соответствии с различной скоростью процесса.

3. Генерационные свойства активных сред на основе пеннииговских смесей, возбуждаемых сформированным в разряде пучком электронов, в диапазоне параметров N0 = 310" + 7.(0« см *, N, = 10>* + 10'« см 3, Т, = 0,15 + + 0,5 эВ, Тг = 0,03 + 0,1 эВ определяются квазисгациоиариым рекоыбинаиионным потоком при столкновительном охлаждении плазмы атомами и молекулами и девозбуждении нижних уровней в пеннииговских реакциях.

4. Генерация на новых линиях атома гелия ). = 667,8 и 728,1 им осуществляется в квазнстаилонариои режиме при возбуждении пеншшговской Не - Нг смеси пучком низкоэнергетичных электронов, в электронно-пучковом плазменной лазере на переходе 585,3 нм неона достигается КПД квазистационарной генерации 0,1 % относительно энерговклада.

5. Генерация в режиме сверхизлучення на X = 585,3 нм и новых линиях атома неона X = 588,1; 650,6 и 653,2 нм реализуется в условиях сголкновиггельного пермешиваиия Зр - и 3s - уровней атомами Ме и молекулами Нг в переохлажд<"шой объемно расширяющейся Ne- Н? плазме, при этой новые активные среды на основе смесей инертных и молекулярных газов повышают мощность пенниинговских Ne - лазеров и КПД генерации в пределах порядка величины.

6. Смена механизмов инверсии при переходе в процессе разлета от перегретой к переохлажденной плазме обеспечивает на "к - 2,03 мкв Хе1 ыногопичковый режим генерации с большой (г 20 мке) длительностью лазерного излучения.

Достоверность результатов работы подтверждается : - применением экспериментальных диагностических методов с известным

интервалом погрешностей в шггреннн параметров плазмы;

- использованием для расчета кинетики плазмы современных теоретических

моделей, сопоставлением экспериментальных данных с результатами теоретического анализа .1 численных расчетов;

- непротиворечив стью экспериментальных данных о параметрах плазмы с данными других авторов;

- воспроизведением новых экспериментов автора по наблюдению инверсной

населенности уровней .. генерации в отечественных и зарубежных лабораториях.

Научая нов'ша работы характеризуется рядом впервые проведенных исследований и впервые полученных научных результатов, наиболгее существенные из которых состоят в следующем:

- экспериментально подтвержден П1 сложенный ранее теоретически пеннинговскни механизм образования инверсной населенности уровней в плазменном лазере;

установлены закономерности формирования излучения новых молекулярных полос в переохлажденной плазме гелия;

- созданы новые активные среды (А. С. № 1632320) для пенништзво, х плазменных лазеров;

- запущены лазеры на новых линиях атомов тслия и неона « видимой области спектра, на линиях неона • -»ффектнвные;

- создана кинетическая модель плазиы, образованной сформированный в разряде пучком электронов с энергией ? ♦ 10 кэВ;

- предложен механизм формирования переохлажденной плазмы с пространственно • временной модуляцией параметров (по А. С. N6 1266450).

Н»Х'авя ночквдхть результатов заключается а следующем :

• определен диапазон параметров переохлажденной плазмы. (Ы, = 10" +

* 10' см}, Т, а 0,15 * 0,5 эВ, Тг = 0,03 ♦ 0,1 эВ), оптимальный для формирования активных сред плазменных лазерог

- разработан единый подход к созданию активных сред пеннинговских плазменных лазеров, основанный на анализе н определении констант столхиовнтельных процессов, изучении динамики населенностей уровней н усилительных сяойств среды, допускающий прогнозирование новых активных сред и реализацию новых лазеров;

• созданы новые пеннинговасне лазеры на переходах геямя н неона а видимой области спектра;

■ установлен механизм образования широкополосного спектра в плазме гелия и условия его возбуждения, оптимальные для создания интенсивных источников излучения в видимом и ближнем УФ диапазоне; разработана методика априорного предсказания инверсной населенности на спектральном переходе по наблюдению в плазме "инверсного" крюка Рождественского;

предложена и экспериментально обоснована модель нового плазмохимического реактора, высокая эффективность которого для плтзмеиных технологий обеспечиваебтся процессами возбуждения и ионизашш газовой среды сформированным в разряде г;'чкои электронов.

Практическая значимость работы сосоит в следующем :

• реализованные активные среды лазеров на основе смесей Ые - Нг - Кг, "Ие -• Нг • Аг повышают мощность и КПД генерации на Зр - 3« переходах неона по сравнению с N6 - Нг смесью в 3 + 10 раз;

- предложенный газоразрядный источник для лазеров на основе тугоплавких

металлов, позволяет получить в протяженном объеме пары металлов с концентрацией > 51014 см \ недостижимой термическим способом;

- создав макет сигнального Не - N0 лазера на X = 0,9 + 1,4 мкм N61, работающего от сети переменного тока с частотой 50 Гц без дополнительных преобразователей;

- создан макет малогабаритного плазменного лазера на X = 585,3 им Ые1, возбуждаемого сформированным в разряде электронным пучком, с эффективностью 0,1 % относительно энерговклада;

- разработан лабораторный макет плазмохимического реактора для прецизионных плазменных технологий; реактор обеспечивает получение в объеме или доставку на поверхность образца концентрации хнничхжи активных частиц N = 1013 + 10м си1, что на несколько порядков величины превышает параметры, достигаемые в технологичен их установках на основе тлеющего и ВЧ-разрядов;

- предложенная газовая среда для плазмохимического травления фоторезиста (положительное решение от 29.09.92 по заявке на патент № 5019161 от 15.01.92 совместно с НИИ микроприборов НПО "ЭЛАС", г. Зеленоград), позволяет в 2 - 3 раза повысить скорость сухого размерного травления функциональных слоев в производстве микросхем.

Использование результатов работы:

• новые данные по спектроскопии плазмы и физике плазменных лазеров используются на кафедре оптики и спектроскопии в Томском

университете в программах подготовки студентов, аспирантов, соискателей;

- разработанные оригинальные источники плазмы использованы для создания новы., активных сред на основе тугоплавких металлов и источников для спектрального анализа (ИОА СО РАН, г. Томск; НИИ ЯФ ТПУ. г Томсх; ТГУ, г. Томск);

- результаты исследования 4 лзнческих процессов в плазменных лазерах служат основой для улучшения их энергетических характеристик, ьропюзировання новых активных сред и используются в отечественных н зарубежных г-тучных центрах (ИОФ РАН, г. Москва; ИСЭ СО РАН, г. Томск; Институт физики твердого тела Болгарской АН, г. София). Информация о новых активных сред плазменных лазеров передана а Банк данных Российского центра лазерной < лзики, г. Санкт-Петербург.

Рекомендации к внедрению результатов ;

- ра'.иботанные источники плазмы могут быть использованы для создания

интенсивных ламп видимого и УФ диапазона спектра, источников для спектрального анализа газовых смесей высокого давления н тугоплавк,.* металлов (ГОИ, г. Санкт-Пегербург; МЭЛЗ, г. Москва);

- электронно-пучковый нлазмохимнческий реактор перспективен для разработки технологической усга"овки нового поколения и создания эффективных плазменных технологий в плазыихимин, инкроэлекч¿юнихе, машиностроении (НИИ микроприбор в НПО "ЭЛАС", г. Зеленоград; НИИ ПП, г. Томск; НЗ ПП, г. Новосибирск, МЮТ, г. Москва).

Апробация работы и рублях* из tu

Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. VI и X Сибирские совещания по спектроскопии, 1969 и 1981 гг., г. Томск.

2. Ш Всесоюзная конференция по газоразрядным прибсаи, 1970 г., г. Рязань.

3. VII Уральская конференция по спектроскопии, 1971 г., г. Свердловск.

4.1 Всесоюзная конференция по спектроскопии низкотемпературной плазмы, 1973 г., г. Ленинград.

5. XX Международный коллоквиум по спектроскопии, 1977 г., г. Прага.

6. VIH, IX и XI Всесоюзные конференции ао фкзнхе электронных н атомных

столкновений, I98J г., г.Ленинград; 1984 г., г. Рига; 1991 г., г. Чебоксары.

7. Всесоюзный семинар "Лазеры на парах металлов и их применение", 1982,1985

н 1993 гг., г. Ростов-на-Дону.

8. Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы, 1983 г., г.

Ленинград; 1987 г., г. Ташкент, I99S г., г. Петрозаводск.

9. XIX и XX Всесоюзные съезды по спектроскопии, 1983 г., г. Томск; 1988 г., Г.

Киев.

10. III Всесоюзный симпозиум "Динамика элементарных атомно-молекулярных процессов", 1985 г., г. Черноголовка.

11. Всесоюзное совещание "Инверсная заселенность и генерация на переходах атоыов и молекул", 1986 г., г. Томск.

12. Всесоюзный семинар "Физика быстропротекающих плазменных процессов",

1986 г., г. Гродно,

13. Рабочее совещание "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров",

1987 г„ г. Гродно.

14. V и VI Всесоюзные конференции "Оптика лазеров", 1987 и 1991 гг., г. Ленинград; VIII Conf. "Laser optics'95", Sankt-Petersbuig, 199S г.

15. Всесоюзный семинар "Процессы с участием возбужденных атомов", 198? г., г, Ленинград.

16. Всесоюзный семинар " Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров", 1988 и 1989 гг., г. Лохусалу.

17. XIII и ХГГ Международные конференции по когерентной и нелинейной оптике, 1988 г., г. Минск; 1991 г., г. Ленинград.

18. Всесоюзная конференция по физике газовото разряда, 1990 г., г. Омск.

19. Международный симпозиум "Плазменные и лазерно-сгимуяированные процессы в микроэлектронике", 1990 г., г. Ростов Великий.

20.1 н II Международные конференции "Импульсные лазеры на переходах

атомов и молекул", 1992 и 1995 гг., г. Томск. 21. Международная научно-техничекая конференция по использованию результатов конверс.. и яаукн в вузах Сибири для международного сотрудничества (СИБКОНВЕРС95), 1995 г., г. Томск. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, 4 научных обзорах, 40 статьях, 5 авторских свидетельствах и 1 положительном решении на патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения и. заключения общим объемом 303 стр., содержит 102 рисунка, II таблиц. Обзор литературных данных распределен по соответствующим главам и содержит 268 наименований.

Материалы диссертации отражают личный вк~ад автора в решаемую проблему. Все исследования, определившие защищаемые положения и новизну работы выполнены по инициативе и под руководством автора. Разработка

_il

новых источников плазмы осуществлена в соавторстве с [Муравьевым И.мГ), которому в их создании, а также запуске плазмодннамнческого лазера принадлежит определяющая роль.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введете« обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее основные цели и приведены основные положения диссертации, выносимые на защиту. ,

1- первой главе рассмотрены физические принципы формирования переохлажденной плазмы для лазеров н дан анализ имеющихся для ее реализации экспериментальных схем. В работе последовательно осуществлен лонех газоразрядных систем для создания глубоко переохлажденной плазмы при объемном расширении плазменного сту пса, разлета через сопло, а также в разрядах пучкового типа. Разработаны оригинальные источники. Для возбуждения плазмы использовались также предложенные П.А. Боханом электродные пучки, сформированные в открытом разряде, что позволило существенно расширить диапазон плотностей тока пучка. Показана перспективность разрядов пучкового типа н сформированных на их основе электронных пучков для накачки плазменных лазеров.

Для проведения исследований создан автоматизированный диагностический4 комплекс, позволяющей в рамках одного эксперимента исследовать спектральные, временные н энер» «.тическнс характеристики спонтанного и лазерного излучения, а так: е параметры плазмы в широком диапазоне условий с наносекундным временным разрешением. Использовался набор спектральной аппаратуры (МДР-2, МДР-23, ДАС-2. ДФС-13. ДФС-452), обеспечивающий фотографическую и фотоэлектрическую регистрацию спектров, в том числе с высоким (до I А/мм) спектральным разрешением в диапазоне X = 0,2 + 2,5 мкм.

Электрические схемы на основе тиратронов позволяли формировать импульсы юка длительностью v ~ 100 не + 5 мке, амплитудой i = 100 1000 А при напряжении V = I + 25 кВ в режиме одиночных чмпульсов и с частотой следования до 10 кГц.

Для диагностики активных сред использован лазерно-диагностическнй комплекс на основе интерферометра Рождественского с посменным разрешением & 10 не. Предложена методика поиска новых спектральных переходов с инверсной населенностью ровней, основанная на формировании, регистрации и обработке "инверсного" крюка при зондировании плазмы

слаборасходящимся пучком широкополосного лазерного излучения наносекундной длительности. Методика позволяет при исследовании активных срсп однозначно зафиксировать переход от равновесной населенности уровней к инверсной, что перспективно для прогнозирования новых лазерных переходов. Современное развитие лазеров иа красителях позволяет расширить коротковолновый диапазон зондирующих импульсов до X з 320 им и проводить поиск новых активных сред не только в видимом, ио и в ближнем УФ диапазоне спектра.

В заключении главы рассмотрены особенности диагностики нестационарной плазмы мощных импульсных разрядов по штарковскому контуру линий водорода. Во избежание ошибок и потери информации о реальной концентрации электронов в стал..» нарастания тока и смены типа неравновесности плазмы предлагается использовать для диагностики не менее трех спектральных линий, в том числе ионные линии гелия.

Во второй главе рассматриваются оптические, электрокинетические и усилительные свойства объемно расширяющейся плазмы в смесях инертных и молекулярных газов между собой и с парами металлов.

Условия формирования переохлажденной плазмы анализировались в трех импульсных ллазмодинамнческих системах:

- при разлете плазмы мощного импульсного разряда через сопло тила Лаваля;

- при объемном расширении локализованного в продольном разряде плазменного сгустка;

- при объемной расширении плазмы паров металлов в сегментированном искровом источнике.

Диапазоны рабочих давлений 5 + 700 Topp.

Необходимым предварительным этапом диагностики являлось установление характера неравновесносгн плазмы, критериев существования частичного J1TP и выбора методов, позволяющих получать достоверную информацию о кинетических температурах всея компонент плазмы.

Экспериментально осуществлен способ формирования переохлажденной плазмы, основанный одновременно иа сголкновительиои н разделю м механизмах охлаждения электронов в объемно расширяющейся плазме при средних давлениях, в широком диапазоне параметров : Ntt = 3-10" + 2-101? си1, N« = 10'" + 5-Ю1«сы-К Т( = 0,2 + 1,0 jß, Тг = 0,05 + 0,2эВ.

На основе комплексной диагностики плазмы в ;иес?и Не - Хе, Ne • Нг, Ne - Нг - Ar, Не - Re обоснована возможность формирования обобщенных параметров плазмы (N0, Ые, N*, Те, Tr, AN, в>), оптаиальных для создгчия активных сред плазменных лазеров.

Показано, что в Не - Хе плазменной струе при скорости разлета через сопло > I04 см/с в диапазоне давлений 30 + 45 Topp времена столкновитсльного н разлегного охлаждения плг. мы сопоставимы. В этом диапазоне параметров возможна реализаци" плазмодинамическото режима генерации на переходах атома ксенона.

Исследования показали, что а продольном разряде с прсдыотиаиией высокая концентрация электрсчоч (> Ю16 см 3) сохраняется в поспеймпульсном периоде более 20 икс (рис. 1). Механизм образования электронов в стадии распагз плазмы обусловлен ионизацией Пеннинга с участием метасгабильных атомов, а с ростом давления преимущественно молекул гелия. С учетом того, что в плазменной струе в процессе разлета осуществляется одновременно несколько механизмов заселения уровней, на основе Не - Хе смеси создана активная среда для получения многеичковой генерации с большой длительностью.

В смесях с водородом за счет эффективного охлаждения электронов

Рис.I. Релаксация во времени концентрации и температуры электронов в Нс-Хе ьлазме. рх,= 1.3; рн,=75 (I). 150 (2.4) i 275 Topp (3). С =0,25 мкФ; U* 10 (1-3) и 15 кВ (4). Те: а - по отношению атомной и ионной линий; б - по отношению сдвига к полуширине; в - равновесные значения.

молекулярной примесью в продольном разряде реализована переохлажденная плазма в квазнстапионарном режиме. Методом крюков Рождественского на переходе X = 585.3 нм зарегистрирована инверсная населенность, достаточная для генерации в режиме сверхизлучення. В этих условиях на основе интерферограмм разлета обнаружена пространственно-временная модуляция плазмы с частотой - I МГц, которая проявляется в поведении всех параметров плазмы. Установлено, что ее механизм реализуется за счет упругих колебаний плазмы в меюлектродном промежутке переменного сечения на начальной стадии объемного расширения.

Вариация геометрической формы предыонизатора "озволила выявить закономерности формирования колебаний плазмы и предложить способ получения плазмы с модулированными параметрами.

В рассматриваемой плазме спектр чистых инертных газов при повышенных давлениях (100 - 350 Topp) характеризуется широкополосным излучением молекулярных комплексов. В переохлажденной плазме чистого гелия обнаружены новые континиуальные полосы в диапазоне Я = 230 + 800 нм с = 370 и 600 нм. Установлено, что образование излучающих возбужденных состояний обусловлено столкновением частиц с участием мегастабильных атомов и м^ лекул гелия. Идентификация спектральных переходов в настоящее время не представляется возможной ввиду отсутствия данных о структуре термов сложных молекулярных комплексов гелия. Анализ условий формирования широкополосных спектров показывает, что они могут быть связаны с излучением молекулярных ионов гелия Не^* и Не** на разлегный терм.

На примере атома рения методом крюков показана возможность получения высокой (> 51014 см1) концентрация атомов тугоплавких металлов, достаточной для создания предложенных ранее Солдатовым <л.Н. самоограииченных лазеров, а также новых, активных сред плазменных лазеров. В рекомбинацио: ю-неравновесной плазме на основе смеси Не - Re шлучена инверсная населенность на переходе Reí Я. = 451,6 ни,

Третья глава посвящена исследованию плазмы, возбуждаемой пучками ннзкоэнергегичных (Е = 2 + 10 кэВ) электронов, сформированный» в разряде с сетчатым анодом при средних давлениях.

В исследованиях осуществлен единый подход, основанный на анализе и определении констант сголкновитеяышх процессов, изучении динамики нассленностей уровней и усилительных свойсть среды, допускающий прогнозирование и оптимизацию активных сред для лазеров

Те, эВ

j_L

12

20

20.5

21 Ь,эВ

10'

j- 0

6 t.MKC

О

4

Рис.2, а) Рапраделение относительной населенностей высоких уровней неона в зависимости от энергии возбуждения. Рме=7, рнЮ} Topp; i = 7 икс. б) Временное распределение концентрации (I) и температуры (2,3) электронов в смеси Ne-H2. Pn,=S. Рн,=3 (2) и 8 Topp (1,3), U=3,S kB, j„ > I А/см3. Сплошные линин-расчетные N, н Т,. р«,: рн3=5 : d Topp. v,~'О1 с1, ъ = 2 икс.

Оптические и электрокинстические свойства плазмы и механизмы формирования инверсии рассмотрены в пеинннговских смесях Ne • Hj, Не - Ne-Ar, Не - Hj и направлены на создание эффективных сред для гииииаших лазеров видимого диапазона.

Экспериментально изучена кинетика заселения уровней 3s, Зр, 4s, 5s н 5d атома неона в зависимости от концентрации примеси водорода и определены параметры плазмы (рис. 2, а,б). Более глубокое охлаждение электронов достигается в смеси Не - Нг (Т, = 0,16 + 0.2 эВ, N, = 10'« + 10's cu »). Анаша экспериментальных и рассчетных данных показывает, гго электронный пучок уже на нипульсе тока формирует переохлажденную плазму с параметрами, достаточными дая эффективной квазисгиионарной накачки уровней за счет процессов рекомбинации.

Проведен поиск условий для формирования ннверсной населенности на переходах Зр • 3s атома Nc в смесях Nc - На н Не - Ne - Ar. Основную роль в девозбуждении уровней играют процессы Пеннннга:

{51 + (Й} Ые+ { н; } + е-

Динамика насеяенностей Зр'{1/2|| н [|/2]° уровней на переходе Л = = 385,3 нм неона в зависимости от концентрации примеси аргона иллюстрируется на рис. 3, а. Здесь же приведен ход коэффициента ш. Область существования инверсной населенности показана штриховкой.

Анализ этой зависимости показывает, что существует диапазон концентраций примеси, в котором девозбуждекие существенно для нижнего уровня перехода, но не оказывает влияния на заселенность верхнего состояния. При концентрации аргона = (5 - 6>1016 см * На переходе X = 585,3 им наблюдается усиление, максимум усиления "«ответствует (>1т" « 1,3-1017 см 5) началу спада населенности верхнего Зр' [1/2]о-уровня. Падение «в при дальнейшем увеличении концентрации примеси аргона обусловлено девозбувденнем также верхнего уровня перехода. Тем не менее инверсная населенность сохраняется при падении ® почти в три раза. Наблюдаемая закономерность подтверждает предсказанный ранее теоретически (рис. 3, б [Л.И. Гудзекко, С. И. Яковленко. Плазменные лазеры. - М.: Атом из дат, 1978. - с. 147] пеннин. овский механизм образования инверсии в нлазменном лазере.

Наблюдаемый экспериментально в лазерах резко выраженный опта кум по содержанию пешшнговской примеси обусловлен тем, что при ее малой концентрации шшерсия не возникает, а при большой - эффективно девозбуждаегся верхний рабочий уровень. Теоретически этот вопрос рассматривался многократно. Приведенные здесь прямые измерения подтверждают эту точку зрения.

На основании экспериментальных данных о населенносгах уровней в далеком послесвечении в смеси Не - Не - Аг и Не -. Аг определены конст. нты скорости девозбуждения уровней примесью аргона:

к(3р* [1/2]0) = 1,3-10-ю см»с-|, к(3в' (1/2|°) = 4,5-10-ю сиЗс-1, к(3з [3/2ф = 0,7-Ю10 см*с->.

Следует отметить, что наблюдаемый в данном эксперименте спад населенности.Зб [3/2]° уровня Ые с повышением примеси Аг свидетельствует о возможности получения шшераш на X = 588,2 нм N6. Этот результчт бьш подтвержден нами позднее получением генерации в продольном разряде.

Полученные результаты позволяют сформулировать критерий для поиска условий инверсной населенности уровней в пеннинговскь.; смесях, который основан на определении пороговой концентрации примеси для девозбуждения

ai

< Nb

¡/TV *У

Ny 7 1

/ Ncp. Ny

—---- б

logN(Nc').c„:3

2

■ s iiTicjf^V / \l

■ У1"?'»

1 9 /' V X о-

>2

'3

ъ *

IS

16

17 logN^, CM

Рис.3. a> Распределение насеяенносгей уровней неона на Х=585,3 им и коэффициента © усиления (поглощения) от концентрации примеси аргона в смеси He-Ne-Ar. Рме=5, рн,.=30 Topp, U=6 кВ.

б) Зависимость населенностей N», Nb рабочих уровней и коэффициента усиления излучения ю на рабочем переходе от плотности Ny пешшнговской примесив случае выполнения условий инверсии; я;0 -населенности уровней и коэффициент поглощения в отсутствие npnnecn;N™n, N^*- пороговая и оптимальная плотность примеси.

£,ЭВ 2322

21 20

jgl Рис.4. Схема термов Hei: уровни п = 2, 3, 4. Длины воли в и»

235

нижнего и верхнего рабочих уровней спектрального перехода в реакции Пеннннга в соответствии с различной скоростью процесса.

Его первое подтверждение получено в смеси Не - Ne - Ar. При постановка источника с активной длиной 15 см в резонатор из двух плоских зеркал с коэффициентами отражения 99 и 98 % на Я = 585,3 нм Ne наблюдалась генерация в указанном выше диапазоне: рц. = 5 Topp, рне = 30 - 35 Topp, Раг - 3 + 4 Topp.

Сформулированный критерий был испе,а>зован для поиска условий существования инверсной населенности н генерации на новых переходах атома гелия в смеси Не - Н^

На основании данных эксперимента разработана кинетическая модель Не - Нг плазмы. Расчеты проводились с использованием комплекса программ "UIA3EP" (ИОФ РАН). Установлено, что закономерности, наблюдаемые в смесях Ne - Нг и Не - Ne - Ar подтверждаются также в условиях Не - Hj плазмы.

Проведенные следования позволяют сделать вывод, что кинетика плазмы на основе пеннинговских смесей, возбуждаемых пучком ничкоэнергетичных электронов, определяется квазистационарным рекомбинационным потоком в условиях столкновительного охлаждения электронов плазмы атомами и молекулами.

Из анализа кинетики Не - Нг активной среды определен диапазон параметров возбуждения и состав газовой смеси, оптимальный для формирования инверсной населенности на переходе 33S - 2}Р X = 706,5 нм Не и новых переходах X = 667,7 и 728 ни. Показана возможность получения квазистационарной генерации на указанных перехода.

Оценка кинетических свойств плазмы, возбуждаемой сформированным в разряде электроннь.м пучком," и диапазона реализованных параметров позве ¿лет сделать вывод о ее перспективности для технологий, в частности, прецизионных плазменных технологий, связанных с пл.'змохимическиии процессами в объеме и на поверхности

В четвертой главе рассмотрены пеннинговские плазменные лазеры с накачкой пучком ни соэнергетичных электронов.

Изложенная в третьей главе модель Не - Hj плазмы и диапазон условий наблюдения инверсной населенности были использованы для поиска генерации на переход тх атома гелия в видимой области спектра. Активные среды исследованы при возбуждении в разрядах пучкового типа и пучком электронов, сформированным в открытом разряде.

В лазерной кювете активной длиной 40 см в диапазоне параметров Рн.. н2 = 8 +■ 15 Topp; Не : Н2 = 2 : I ♦ I : I; U = 6 kB, i =140 А получена

квазистационарная генерация на лннни гешш X = 706,5 и новых переходах X -= 667,8 и 728 нм (рнс. 4). Максимальная энергия в импульсе (т0г^ = 3,5 мкс), суммарная для трех линий, составляет 50 мкДж, коэффициент усиления ю = = (0,3+1) Ш2 см I.

Увеличение энерговклада в среду (U = 3 - 10 kB, i = 150 - 600 А) позволил расширить диапазон рабочих давлений и повысить мощность генерации более, чей на порядок величины.

В этих условиях обнаружена инверсная населенность на X = 587,6 нм (ЗЮ - 2JP) н на новых переходах гелия X = 492,2 (4'D - 2'Р) и 447,1 нм (4'D - 2-.) с коэффициентом усиления аз = 2-10 2 см

Из сопоставления данных эксперимента с результатами теоретического моделирования Не - Н2 активной среды установлено, что механизм образования инверсной населенности на переходах. гелия соответствует модели квазистационарного плаз .енно-рекомбинационного лазера с пеннннговской систкой нижних рабочих уровней.

Таким обр~зом, проведенные эксперименты закрыли многолетнюю дискуссию о нереальности квазисгационарного пеннннговского плазменного дазера на переходах гелия и подтвердили правильность предложенной ранее теоретической модели.

Поиск эффективной генерации осуществлен на Зр -. 3s переходах атома неона. При возбуждении смеси Ne - Нг сформированным в открытом разряде электронный пучком реплюована генерация на X = 585,3 нм с коэффициентом усиления х = 5-10 2 см-1 и эф ^ективносгью относительно энерговклада 0,1 %, что значительно превышает параметры, достигаемые в газоразрядных системах. Эксперименты со сдвоенными импульсами показали, что Ne - Н2 лазер на X ~ = 585,3 нм может быть переведен в непрерывный режим генера'-ми.

Теоретическое и экспериментальное моделирование Ne - Н2 активной среды показало, что повышение мощность и КПД ла ?ра на X = 585,3 нм Nel может оыть достигнуто за счет оптимизации условий формирования и транспортировки в объеме электронного пучка, увеличения энерговклада и рабочего давления.

Проведенный расчет предсказывает (рис. 5) нелинейный рост мощности лазера с повышением плотности тока пучка и давления неона в смеси, что в целом согласуется с экспериннтом (рнс. б). Перспективными могут оказаться многокомпонентные снеси, использование которых привело в продольном разряде к повышению мощности лазера в пределах порядка ветичины.

Эксперименты показали, что в гаовсте длиной 24 сы, диаметром сетчатого анода 9 нм ( рабочий объем 12 си3) при накачке смеси Ne : Hj = 8 • 7 (Topp)

Рго.5. Временная зависимость выходной мощности генерации от частоты ионизации (а) и концелрации неона (б>. Штриховые линии - данные эксперимента: р>*=5. рн2=8 Торр. а • у=500 (I), 1000(2), 1500 (3) и 2000 с' (4). б - ¥=1000 с', №(Ке)=1.б (1); 2,1 (2); 3,2-10" см > (3).

Рис.6. Зависимость выходной мощности от тока разряда (а) и давления неона (б)всмесиNe-Ha. a)PN<=5 Topp,pHj=H(I), 15(2), 18(3) и 23Торр(4); б) рн2=8 Торр, и=6(1) и 7кВ (2).

Í/V/Ч.

V x

3

2

Ж

i

o io го за

ttMK¿

Рис.7. Временная зависимость импульса генерации от давления гелия.

рхе = 2,6 Topp, U = 12 kB, C=0,2S ыкФ, рНе=30 (2), 75 (3), 150 (4) и 350 Topp (S).

импульсами t = 2,5 мкс, U = 6 kB, j„ = 10 А/см2 в оптамизованном резонаторе с коэффициентом пропускания выходного зеркала 30 % получена энергия генерации в импульсе 0,1 мДж и КПД 0,1 %. Коэффициент усиления активной • среды 0,03 с»1.

В смеси Не - Né - Ar оптимальные условия для генерации на желтой линии X = 585,3 нм достигаются при соотношении компонент снеси Не : Ne : Ar = 20 : : 7-: 5 (Topp). Инверсная населенность на красных линиях наблюдается при более высоком содержании неона в смеси Не : Ne : Ar = 10 : 12 : 7 (Topp). Зарегистрировано усиление на переходах неона X = 659,9; 703,2 и 724,5 ни, наблюдавшихся в генерации ранее, атакже на линиях X = 588,1; 650,6 и 653,2 ни, зарегистрированных нами в продольном разряде.

Полученные результаты открывают возможность для создания нноговолновых малогабаритных лазеров на переходах неона в видимой области спектра.

Пятая глава посвящена созданию плазменных лазеров на переходах атомов неона и ксенона в условиях объемно расширяющейся плазмы.

Проведенные в данной пиве исследования показали принципиальную возможность реализации в объемно расширяющейся плазме целого ряда механизмов формирования инверсной населенности уровней. Так в Не - Хс смеси при переходе в процессе разлета от перегретой к переохлажденной плазме обеспечивается получение многопичковой генерации на X = 2,03 мкм ксенона. В зависимости от условна возбуждения в течение одного импульса накачки длительностью то.з = 2,5 икс реализуется до четырех импульсов генерации общей длительностью более 20 икс (рис. 7) и мощностью - 1 кВт. Показана роль ыепастабштей Не" и Не2 в формировании рекомбинацнонного потока на

верхний лазерный уровень. При расширении плазмы в плоском профилированном сопле или сопловой решетке реализован плазмодинамический режим генерации.

Вповые методом "инверсных" крюков Рождественского проведен поиск инверсной населенности на новых спектральных переходах. В активных средах на основе пеннинговсхих смесей Ne - Н2 и Ne - Hj - Аг, возбуждаемых в продольном разряде с предыоннзацией, обнаружена инверсная населенность и

16,5 16.7 tSß ' 16,5 16,7 16,9 £.36 б

2 4 6 Ь,мы

Рис.8, а) Временная зависимость величины инверсной заселенности на переходах »¿она А»585,3 (I); 588,2(2); 594,4(3); 653,2 (4); 650,6 (5) и 659,9 нм (6). р»*=Э5 Topp, рн2=30 Topp, U=H,5 кВ, 1=0,6 хА.

6) Распределение наоеленносгей 3s (I)- и Зр(2> уровней неона. рм,=35 Topp, Рн2=30 Topp, t=4 мкс. Длины волн в нм.

генерация в режиме сверхизлучения на новых Зр - 3s переходах атома неона з видимой области спектра X = 588,1; 650,6 и 653,2 нм (рис. 8, а,б). Наблюдается характерная для этой плазмы временная модуляция населенностей уровней.

В продольном разряде с предыонизацией на переходе атома Ые X = = 585,3 нм реализована квазистационарная генерация в режиме сверхизлучения с энергией 0,15 мДж в импульсе длительностью 3 мкс. Предложены и исследованы активные среды на основе смесей Ne - Нг - Y (Y = Ar, Кг, Хе, N2, COj), позволившие в пределах порядка величины повысить выходную мощность и КПД лазера.

Дальнейшее повышение энергетических характеристик плазменных лазеров можно ожидать как на пути совершенствования газоразрядных систем накачки уже реализованных лазеров, так и поиска новых спектральных переходов и активных сред. Перспективным представляется дальнейший поиск процессов, обеспечивающих высокую скорость девозбуждения нижних рабочих уроьней, например, химических реакций. Анализ констант скоростей гарпунных реакций показывает, что для получения эффективной генерации на переходах атомов инертных газов в видимой области спектра могут быть использованы фтор- и хлорсодержащие соединения.

В работах Ломаева М.И. и Тарасенко В.Ф. уже предложены новые активные среды на основе смесей NFj - R (R = Не, Ne, Аг). Проведенная' в данной работе диагностика этих сред показала, что электроотрицательный газ с молекулами NFj обеспечивает более высокую скорость девозбужд яия нижнего лазерного уровня в гарпунной реакции и одновременно повышает эффективность накачки верхнего лазерного уровня электронным возбуждением. Это объясняет достигнутое на X = 585,3 им Ne в смеси Ne - NF3 повышение мощности генерации практически на порядок величины по сравнению со • смесью Ne - Н2.

В приложении рассмотрены некоторые применения исследованной в главе 3 плазмы

■ В первом разделе представлен лабораторный образец сигнального He-Ne лазера с активной длиной 10 си, работающего от cení переменного тока с частой 50 Гц без дополнительных блоков питания. Возбужден.,е активной среды осуществляется в области отрицательного свечения тлеющего разряда. Для реализации протяженной вдоль оптической оси плазмы электроды активного элемента выполнены в виде спиралей, объединенных в двухзаходную спираль. Основные технические характеристики лазера : область генерации 0,9 * 1,4 мкм (^гач = 1,15 мкм); мощность генерации I +- 3 мВт, коэффициент усиления на X = = 1,15 ыкм 40 % на метр; частота следования импульсов 50 Гц; потребляемая мощность 40 Вт.

Во втором разделе представлена новая разработка высокоэффективного ллазмохимичесхого реактора. В основу модели положены рассмотренные в третьей главе диссертации свойства плазмы, возбуждаемой электронным пучком.

Новизна и основное преимущество предлагаемого плазмохимнческого реактора состоит в использовании прогрессивного принципа формирования его среды при возбуждении электронным пучком с энергией 2+10 кэВ. Это обеспечивает достижение в объеме или доставку на поверхность образца химически активных частиц с высокой (Ю13 + 1014 си 3) концентрацией, что на несколько порядков величины превышает параметры, достигаемые в установках на основе традиционных тлеюшег и ВЧ-разрядов.

Разработан макет плазмохимнческого реактора. Перспективы его ..спользования рассмотрены на примере двух технологических процессов : плазмохимнческого травления (ПХТ) фоторезиста Для задач микроэлектроники и процесса ионного азошроваиия сталей.

1. Проведен сопоставительный анализ эффективности ПХТ фоторезиста мг*исн ФН-НМ-М в плазме кислорода, возбуждаемой пучком электронов и ВЧ-разрядом в промышленной установке 0811X0-006. Экспериментально обоснованы преимущества модели электронно-пучкового реактора. Электронный пучок формирует бесполевую плазму с исключительно высокой однородностью в поперечном доении, что позволяет осуществить эффективную и рявноненую обработку поверхности с высокой воспроизводимостью.

Предложена газовая среда на основе смеси кислорода с неоном, позволяющая в два-три раза увеличить скорость ПХТ фоторезиста. Интенсификация травления обусловлена процессом образования возбужденых атомов кислорода при передаче энергии от мегастабильных атомов неона. Газоьоя среда может быть использована для ПХТ широкого класса полимерных материалов.

2. Тенденция совершенствования процесса ионииго азотирования базируется на поиске эффективны': способов создания активного азота и его транспортировки и; рабочую поверхность. Спектроскопическими методами показано, что плазма, возбуждаемая электронным пучком в смеси Не - N2 - Нг, характеризуется наличием высокой концентрации ПО13 + 10м см 3) ионов азота Ы\ К'+. Незначительное убывание концентрации ионов вдоль плазмы обеспечивается сохранением пучковых свойств группы быстрых электронов в объеме плазмы. Это позволяет использовать для задач азотирования ионный лучок, формируемый в самой плазме.

Контрольное азотирование образцов стали марки ШХ-15-4 показало возможность достижения параметров микротвердости до 700 кГс/м м2 с глубиной азотированного слоя до 300 мкм при общем воздействии плазмой в течение 3 - 5 минут. Аналогичные параметры азотирования в тлеющем разряде достигаются в течение нескольких часов.

В зяключеют сформулированы основные результаты диссертационной работы, которые состоят в следующем:

1. Экспериментально осуществлен способ формирования переохлажденной плазмы, основанный на одновременном сголкиовнтельном т разлетном охлаждении электронов в объемно-расширяющейся плазме при средних давлениях, обеспечивающий получение плазмы с изменением параметров в широком диапазоне: М0 = З'Ю17 + 2-Ю" см 5,Ы, = 1014 + 5-Ю16 см 5, Т, = 0,2 + 1,0 эВ, Тр = 0.05 + 0,2 эВ. Получена плазма с пространственно-временной модуляцией параметров.

2. При возбуждении смеси инертных и молекулярных газов в разрядах пучкового типа и пучками ннзкоэиергетичных электронов, сформированными на их основе, реализована квазистационарно переохлажденная плазма в диапазоне параметров : N0 = 3-10П + 7-!018см \ N.. = 10>'сы3, Т, = 0,15 + + 0,5 эВ, Тр = 0,03 + 0,1 эВ. Обоснована перспективность использования электронно-пучковой плазмы для накачки плазменных лазеров и создания прецизионных плазменных технологий.

3. Впервые методом "инверсных" крюков Рождесгвенскс о проведен поиск инверсной населенности на новых спектральных переходах. В активных средах на основе пеннинговских смесей Ые - Н2 и Ые - Н2 - Аг, возбуждаемых продольным разрядом с предыонизацней, обнаружена инверсная населенность и генерация в режиме сверхизлучения на новых Зр - Зэ переходах атома неона в • видимой области спектра X = 588,1; 650,6 и 653,2 нм.

4. В переохлажденной плазме гелия при средних давлениях обнаружены новые кс:гтиниумы в диапазоне спектра X = 230 - 800 нм с = 370 и 600 нм. Установлено, что образование излучающих возбужденных состояний гелия обусловлено столкновениями частиц с участием кета стабильных атомов и молекул гелия. Наблюдаемые континиумы могут быть связаны с излучением возбужденных молекулярных ионов гелия Не/" и Не^* иа разлепшй терм.

5. Исследованы механизмы формирования инверсной населенности на переходе X = 0,02 мкм в смеси Не - Хе. В зависимости от условий возбуждения а течение одного импульса накачки длительностью 10,5 = 2,5 мке реализуется одновременно до четырех импульсов генерации обшей длительностью > 20 икс. Показана роль мегастабилен Не* и I!е;* в формировании рекомбиналионного потока на верхний лазерный уровень. При расширении плазмы в плоосом

профилированном сопле или сопловой решетке реализован плазмо-динамический режим генерации.

6. Впервые экспериментально продемонстрирована работа пеннннговского механизма формирования инверсной населенности в плазменном лазере. Показано, что диапазон концентрации примеси Аг, при котором девозбуждение в реакции Пеннинга существенно для нижнего Зб' \\Г2\1 уровня Ые, но не оказывает влияния на населенность верхнего Зр' (1/2|» состояния, определяет условие перехода Не • Ые - Аг активной среды в режим усиления нг X = 585,3 нм. Измерены константы скорости девозбуждения уровней: к( Зр' [1/2)0) = 1,3-10 "> см* с', к([|/2|?) = 4,510 "> см» с

7. Впервые реализован квазистациона^ный режим генерации в Не - Н2 пеннинговскои плазменном лазере на переходе атома гелия X = 706,5 нм с пучкпвой накачкой. Запущены новые линии {«нерации в гелии X = 728,1 и 667,8 нм. Обнаружена инверсная населенность на новых переходах атома гелия X = 447,1 и 492,2 нм.

8. Исследованы механизмы формирования инверсной населенности н параметры генерации на переходе атома Ые X = 585,3 нм при трех типах накачки Ые • И2 смеси : в продольном и поперечном разрядах и пучком низкоонергегичных электронов. В продольном разряде с предыоннзацией реализована квазнстациоиариая генерация в режиме сверхизлучения с энергией 0,15 мДж в импульсе длительностью 3 мкс. Предложены и исследованы новые активные среды на основе смесей Че - Н2 -У (У = Аг, Кг, Хе, N... СО г), позволяющие в пределах порядка величины повысить выходную мощность и КПД лазера. В смеси N6 - ЫРз, возбуждаемой в поперечном импульсном разряде, установлена более высокая эффективность девозбуждения нижнего рабочего уровня в гарпунной реакции по сравнению с реакцией Пеннинга в смеси Ые - Нг. При накачке Ые - Нг смеси пучком низкоэнергстичных электронов получена квази стационарная генерация с эффективностью относительно энерговклада 0,1 %. В зкепери енте со сдвоенными импульсами показана возможность осуществлю лия непрерывного режима генерации.

9. На примере атома рения показана возможность получения высокой (г 5-1014 см з) концентрации атомов тугоплавких металлов, достаточной для создания новых активных сред. В рекомбинацнонно-неравновесной плазме на основе смс^н Не - Ие получена инверсная населенность на переходе атома рения X = 451,6 им.

10. Предложена и экспериментально обоснована модель нового плазмохинического реактора на основе пучка низкоэнергстичных электронов для плазменных технологий. Показана возможность получения в объеме или

доставки на поверхность активных частиц с концентрацией N = 10IJ + 10й смЛ Создан лабораторный пакет плазмохимического реактора и обоснована перспектива его использования для технологий гашиохииического травления материалов и ионного азотирования.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях :

1. Муравьев И.И., Солдатов А.Н., Клнмкин В.М., Янчарина А.М. Исследование условий разряда в полой катоде для получения генерации н

= 1,15 ju. неона//Изв. вузов. Физика. 1968. 12. • С. 125-127.

2. Клнмкин В.М., Мельченко B.C., Муравьев И.И., Солдатов А.Н., Янчарина A.M. Гелий-неоновый ОКГ на длине волны 1,15 мкм сразрядоы в полом катоде // Матер. III Всес. научно-техиич. конференции по газоразрядным приборпм. М.: Электроника, 1970. - № 2(18). - С. 29.

3. A.C. 607498, МКИ-Н01 j 17/38. Газоразрядный источник плазмы // И.И.

Муравьев, A.M. Янчарина. - Бюл. № 18,1978. Заявлено 5.01.1977 г.

4. Муравьев И.И., Шевннн A.M., Янчарина A.M., . Евтушенко Г.С. Рекомбинацнонный. лазер на плазменной струе гелия и ксенона И Квант, электрон. - 1982. -Т. 9. -№4. - С. 793-795.

5. Янчарина A.M., Муравьев И.И., Шевнин А.М., Хорунжа Л.Д. Рекомбишюнпое заселение уровней в импульсной гахазменной струе в смеси He-Xe // Известия вузов. Физика. -1984. № 3. - С. 12-17.

6. Горчаков Л.В., Демкин В.П., Муравьев И.И., Янчарина A.M. Излучение атомов инертных газов в электрическом поле. Томск: Изд. Томск, ун-та, 1984.- 144 с.

7. A.C. 1222130, МКИ-Н01 j 17/02. Газоразрядный источник- плазмы паров -

металлов / И.И. Муравьев, A.M. Янчарина. Бюл. N& 12. - 1986. Заявлено 12.07.1984 г.

8. A.C. 1256450, МКИ-Н01 j i7/00. Импульсный источник плазмы с продольный

разрядом / И.И. Муравьев, Б.В. Черникова, A.M. Янчарина. - Бюл. № 39, -1986. Заявлено 28.01.1985 г.

9. Бабин А.А„ Муравьев И.И., Шатова Л.Д., Янчарина /v.M. Возбуждение

ионов кадиия в расширяющейся He-Cd плазме II Изв. вузов. Физика. - 1986. - № 7. - С. 35-39.

10. Бушснн Ф.В., Держиев ВН., Месяц Г.А., Муравьез И.И., Скахун B.C., Тарасенко В.Ф., Феденев A.B., Яковленко С.И., Янчарина A.M. Пеннинговские плазменные лазеры на переходах неона. - Томск, 1935. - 23 с. / Препринт ТФ СО АН СССР №41. - То же // Илз. AI I СССР. Сер. Физ. -1986. - Т. 50. -№106. - С. 1064-1073.

11. Бункии Ф.В., Держиев ВН.. Латуш Е.Л., Муравьев И.И., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д., Яковленко С И., Янчарина A.M. Инверсия и генерация на переходе Nel X = 585,3 нм в разрядах с жесткой составляющей // Квант, электрон. - 1986. Т. 13. - ЛЬ 12. - С. 2531-2533.

12. Бердников A.A., Держиев В.И., Муравьев И.И., Яковленко СИ., Янчарина A.M. Пеннннговскнй плазменный лазер на новых переходах атома гелия в видимой области спектра // Квант, электрон. - 1987, - Т. 14. -№11.-С. 2179-2199.

13. A.C. 1524796. МКИ-Н01 j 17/38. Плазмодинамнческий источник возбуждения паров металлов // И.И.Муравьев, A.M.Янчарина. - Бюл. >fe 43. - 1989. Заявлено 26.01.1987 г.

14. Бурлаков В.Д., Муравьев И.И., Солдатов A.IЧерникова Е.В., Янчарина A.M. Возбуждение атомов рения в импульсном разряде // ЖПС. - 1987. - Т. 4o.-NH.-C. 28-32.

L. Муравьев И.И., Горбунова Е.М., Янчарина A.M., Импульсный источник плазмы тугоплавких металлов // Изв. вузов. Физика. - 1988. - М» 4. - С. 48-52.

16 Горюпоз Ф.Г., Ломаев М.И., Тарасенко В.Ф., Янчарина A.M. Генерация на атомарных переходах инертных газов при накачке самостоятельным разрядом. - Томск, 1938. -15 с./ Препринт ТФ СО AI 1 СССР Л& 50.

17. Лоиаев М.И., Тарасенко В.Ф., Янчарина A.M. Спектроскопия активных сред на основе смесей инертных газов с NFj // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. - 1989. - Вып. 6. - С. 125-132.

18. Держиев В.И., Скакун B.C., Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И., Янчарина A.M. О наблюдении три м еров неона и гелия // Опт. и спектр. - 1988. -Т. 64. - Вып. 3. - С. 506-509.

19. Муравьев И.И., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Квазисгационарная г.лерация на X = 585,3 нм неона в смеси Ne-Hj, возбуждаемой продольным разрядом с предыошаацией//Квант, электр - 1989. - Т. 16. • №2.-С. 189-194.

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

21. Черникова Е.В., Янчарина A.M. Два механизма формирования инверсии в газоразрядной лазере на X = 2,02 мкм Хе1 при средних давлениях // Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". Томск. 1989. - 49 с. - Деп. в ВИНИТИ № 5162-В89.

22. Ваули.. В.А., Держиев В.И., Лапин В.М., Слинко В.Н., Сулакшин С.С., Яковленко С.И., Янчарина A.M. Плазменный лазер на СВЧ разряде II Квант, электр. -1?"9. - Т. 16. №3. - С. 486-188.

23. Демкин В.П., Держиев В.И., Жидков Л.Г., Коваль А.В.. Купчинский Н.Л., Яковленко С. И., Янчарина A.M. Кинетика рекомбннационно-неравновесной Не-Н2 плазмы в разряде пучкового типа It Кваит. электр. -1989. -Т. 16,-№6. -Г. II84-U89.

24. Бердников А.А„ Демкин В.П., Держиев В.И., Муравьев 1«.И., Яковленко С.И., Янчарнна A.M. Пеннннговский плазменный лазер на новых гк-реходал атома гелия в видимой обла^та спектра // Тез. докл. XIII Межд. конф. по когерентной и нелинейной оптике. - Минск: Изд. БГУ, 1988.-Ч. I.-C. 92-93.

25. Держиев В.И., Тарасенко В.Ф., Яковленко С,И., Янчарина A.M. Псннинговские плазменные лазеры на переходах гелия и неона // Плазменные лазеры видимого и ближнего УФ диапазонов. М.: Наука, 1989. -С. 5-43. (Тр. ИОФАН, Т. 21)

26. Бохан П.А., Закревский Д.Э., Мали В.П., Шевнин A.M., Янчарина A.M. Квазинспрерывная генерация на к = 585 нм в Ne-Нг при накачке смеси пучком ннзкоэнергетичных электронов //Квант, электр. -1989. - Т. 16. -№6.-С. 1110-1115.

27. Держиев В.И., Горбунова Т.М., Мнхайличенко Ю.П., Черникова Е.В., Яковленко С.И., Янчарина A.M. Инверсная заселенность на новых переходах атома неона в видимой области спектра II Кваит. электр. -

1990. - Т. 17. - № 10. - С. 1283-1284.

28. Stefmova М., Pramatarov P., Gansiu М., Karelin A., Y-ncharina А,, Ivanova J.,Yakovlenko S. Las«-generation on thw Ne 585 nm line in penning plazma laser IIXTV Jnt. Conf. on coherent and nonlinear optics. Abstracts. Leningrad: 1991. - Part 1. - P. 43-44.

29. Pramatarov P., Stefan ova M., Gansiu M., Karelin A., Yancharina A., -Ivanova J., Yakovlenko S. Neon-hydrogen paining plazma laser in helical hollow-cathode discharge // Appl. Phys. B. - 1991. - Vol. 53. - P. 30-33.

30. Янча. ина A.M. Спектроскопия активных сред пеннииговсхих плазменных лазеров на переходах гелия и неона // Лазерная физика. С.-П.: Изд. С-ПГУ, 1991. - Вып. I.-C. 80-107.

31. Буланьков Н.И., Занараев К.А., Любимов В.К., Михайлова Л.Ф., Янчарина A.M. Спектроскопическая диагностика процессов плазмохимического травления фоторезиста с полиимидной пленки // Электронная техника. Сер. 7. -1991. Вып. 2. - С. 27-30.

32. Бердников А.А., Блинов Г.А., Буланьков Н.И., Замараев К.А., Любимов В.К., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Газовая среда .тля плазмохимического травления фоторезисга.Заявка на патент № 5019161 от 15,01.92. Положительное решение от 29.09.92.

33. Скакун B.C., Тарасенко В.Ф., Черникова Е.В., Янчарина A.M. Излучение плазмы плотных смесей инертных газов // Изв. вузов. Физика. -1992. - Jft I. -С. 66-73.

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

35. [Муравьев ЙЖ], Черникова Е.В„ Шатова Л.Д., Янчарина A.M.

Диагностика рекомбннационно-неравновесной шшмы гелия // Изв. вузов. Физика. -1992.11.-С. 15-19.

36. Горбунова Т.М., Михайлнченко Ю.П., Янчарина A.M. Исследование активных сред импульсных газоразрядных лазеров методом крюков Рождественского//Изв. вузов. Физика. -1994. - № 12. - С. 3-27.

37. |..1уравьев Н.И.[, Янчарина A.M. Сигнальный Ие-hV лазер от сети переменного тока частотой 50 Гц I/ Изв. вузов. Физика. - 1995. - № II. (в печати); Программа II Международной конференции "Импульсные лап-ры на переходах атомов и молекул".- Томск, 1995. - С. 25.

38. Янчарина А.М. Плазмохимнчсский реактор на основе пучка ннзкоэнергетнчных электронов для технологий II Физика низкотемпературной плазмы. Матер, конф. - Петрозаводск: Изд Псгроз. ун-та, 1995. - Ч. 3. - С. 404-406.

39. Goibunova Т., Mikailichenko Yu., Yancharina A. Diagnostic of Nell;, active medium uzing Rozhdestvensky hook lahniijue H IVoc. SP1E. • Wash. USA, 1995. - V. 2619,

40. Yancharina A. Supercooled plazma for lasers II Proc. SPIE. - Wash. USA, 1995. -V. 2619.

Заказ zoo Тираж и» экз.

УОП ТГУ, Томск, 29, ПнмшнмЯ