Теоретическое исследование спектров усиления и генерации XeF(B-X) лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 533.92 : 537.525

РЕБРИК Сергей Петрович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ УСИЛЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ ХеР(В-Х) ЛАЗЕРА.

01.04.08 - Физика и имя плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена в НШ Ядерной физики МГУ им. М.В.Ломоносова. Научные руководители:

доктор физико-математических наук Персианцев И. Г.,

кандидат физико-математических наук Суетин Н. Б.

Официальные оппонента:

доктор физико-математических наук Елецкий А. В.,

кандидат физико-математических наук Кочетов И. В.

Ведущая организация:

Московский физико-технический институт

Защита диссертации состоится 1993 г.

в часов на заседании Специализированного совета ¡к Д 053.05.80 НМИ Ядерной Физики

Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова. Адрес: 119839 Москва, Ленинские Горы, МГУ, НШЯФ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НШЯФ МГУ.

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного совета , »

кандидат физико-математических наук ю/г^ Радченко В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш:

Лазеры на галогеяидах инертных газов известны достаточно давно и нашли к настоящему времени широкое применение в научных исследованиях, медицине и технологии. Вместе с тем, по мере расширения области применения лазеров возрастают требования к мощности, ширине полосы генерации и расходимости лазерного луча. Для некоторых применений необходима перестройка линии генерации, либо точная ее фиксация. вблизи заданной частоты. При проектировании подобных лазеров неизбежно возникает вопрос о принципиальной возможности достижения заданных параметров, или, другими словами,. •о физических ограничениях, присущих той или иной системе.

Основные физические процессы, влияющие на выходные характеристики лазера, практически невозможно выделить, исходя непосредственно из результатов эксперимента на реальном лазере. Естественным путем прояснения физической картины представляется моделирование активной среды лазера на ЭВМ на основании сведений об элементарных процессах и сравнение результатов расчета с экспериментом. При этом адекватность модели проверяется на большом количестве разнообразных данных, и в случае успеха исследователь получает детальную информацию об изучаемой системе. Наличие надежной модели позволяет с определенностью указать на принципиальные физические ограничения в выходных характеристиках, а также дать рекомендации по оптимизации отдельных параметров лазера.

Среди лазеров на галогенидах инертных газов лазер на молекуле ХеР занимает особое место. Он имеет наибольшую среда эксимэров длину волны генерации ( переход В-Х: 351-353 нм ), нижнее состояние X обладает самой большой среди эксимершх молекул энергией-связи (1170 см~1). По этой причине сечение вынужденного излучения этого перехода - наибольшее среда галогенидов инертных газов, что определяет наинизший среда эксимеров уровень накачки, при котором в активной среде существует усиление. Так, в ряде экспериментов был зарегистрирован положительный коэффициент усиления при накачке лазера импульсным ядерным реактором мощностью до 5 кВт/см [ 1 ]. Другой активно используемый переход С-А является связанно-разлегным с максимумом интенсивности около 480 нм. Эта область спектра является интересной в связи с тем, что она совпадает с максимумом прозрачности вода. Лазеру на переходе С~А также уделяется в последнее время большое внимание.

Численному моделированию ХеР лазера посвящены работы [2,3,4], дающие удовлетворительное описание основных характеристик лазера: КПД и выходной мощности. Однако целый ряд давно известных специалистам зависимостей выходных параметров от условий работы лазера не получили к настоящему времени однозначного объяснения. Например, повышение КПД ХеР лазера при увеличении температуры рабочей смеси [53 и мощности накачки (63, сопровождайте ся соответствующим изменением спектра генерации 15]. В последнее время были проведены эксперименты, давшие значительный материал для анализа и верификации моделей ХеР лазеров. Среди них: измерение

плотности электронов 17], измерение КПД и временной зависимости мощности генерации в полосах. 351 и 353 нм для различных температур и уровней накачки 16,8]. Измерение с высоким разрешением спектра генерации XeF лазера в зависимости от температуры [91 позволило выявить роль вращательной релаксации в формировании данного спектра НО]. Спектры усиления XeF(B-X) лазера, снятые при различных температурах газовой смеси и различных уровнях накачки Ш], а также при просвечивании активной среда на различных длинах .волн дают возможность проверить и уточнить численную модель лазера, построенную с учетом колебательной и вращательной кинетики молекулы XeF. Появились также экспериментальные и теоретические работы, посвященные элементарным процессам в рабочей среде, и, что наиболее ценно, колебательной кинетике состояний В, С и X молекула XeF [12,13,14].

Таким образом, весьма актуальной представляется задача создания компьютерной модели, использующей результаты, полученные в последнее время. Модели, которая отражала бы основные характеристики реальной лазерной системы и могла бы описать спектр генерации XeF лазера, накачиваемого электронным пучком при изменении мощности накачки и температуры.

Целью настоящей работы являлось построение модели ХеР(В-Х) лазера, способной описывать. спектры усиления и генерации и объяснить наблюдающиеся в экспериментах закономерности.

Научная и практическая ценность работы:

В результате проведения данного исследования удалось уточнить схему плазмохимических процессов в смеси Ме/Хе,

что в свою очередь позволило впервые описать временное поведение плотности электронов при малых концентрациях прилипателя и снять вопрос о неадекватности плазмохимической модели для смеси Ne/Xe.

Для ускорения разработки и повышения надежности компьютерной модели лазера был разработан специализированный язык программирования KIND. Компилятор с данного языка может быть использован при моделировании плазмохимических процессов на ЭВМ типа IBM PC или для подготовки текстов моделирующих программ для других компьютеров.

Из сравнения экспериментально полученных 111] и расчетных спектров усиления ХеР(В-Х) лазера определены величины столкновительного уширения вращательных линий и константы вращательной релаксации молекулы XeF. Показано, что вопрос о столкновительном уширешш линий является принципиальным при расчете величины сечения вынужденного излучения рабочего перехода. На отдельных длинах волн учет полученных величин уширения приводит к снижению расчетного сечения в два раза по сравнению с рассчитанным при использовании традиционной величины уширения.

Впервые предложена модель ХеР(В-Х) лазера, адекватно описывающая большинство экспериментальных результатов, полученных при возбуждении среды пучком электронов. Разработанная модель также может быть применена для моделирования газоразрядных лазеров.

Положения, выносимые на защиту:

1. Построена компьютерная модель плазмохимических процессов, идущих в смеси Не/Хе/Р2, накачиваемой электронным пучком. В модели, рассчитывается низкоэнергетичная часть функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ), что позволяет с достаточной степенью достоверности оценивать роль тех или иных процессов, идущих с участием электронов.

2. Показано, что в рабочих условиях концентрация молекулярного иона ИеХе^ пренебрежимо мала. На этом основании предлагается модернизация традиционно используемой кинетической модели, заключающаяся в исключении иона ИеХе+ из числа рассматриваемых частиц. С учетом этого впервые удалось получить расчетное плотности электронов, хорошо согласующиеся с экспериментальными, полученными при малых концентрациях прилипателя.

3. Мз сравнения экспериментального и расчетного спектра усиления слабого сигнала определена величина столкновительного уиирения вращательных .пиний .перехода Б-Х. Полученная величина столкновительного уширения (15 Ггц/атм) оказалась в несколько раз превышающей традиционно используемую величину в 3-5 Ггц/атм. Показано, что такое изменение уширения снижает пиковую величину сечения вынужденного излучения на переходе (1-4) приблизительно в два раза.

4. Предложен способ учета влияния скорости вращательной релаксации ца характеристики . лазера. Из сравнения экспериментального и расчетного спектров, полученных при насыщении активного перехода излучением внешнего лазера,

определена констанга скорости вращательной релаксации в рамках предложенной модели. Показано, что полная скорость вращательной релаксации в первом прибликении пропорциональна ширине спектрального диапазона генерации/усиления.

5. Впервые предложена модель расчета спектра генерации XeF лазера, адекватно описывающая большинство экспериментальных результатов. Полученные временные зависимости интенсивности генерации в различных спектральных полосах, а такке интегральные по времени спектры генерации качественно совпадают с полученными экспериментально и демонстрируют те же качественные зависимости от температуры и мощности накачки. Показано, что увеличение КЦЦ лазера с ростом температуры газовой смеси обусловлено перераспределением населенностей колебательных уровней нижнего электронного колебательного состояния X молекулы XeF, и соответствующим увеличением мощности генерации в области спектрально перекрытых колебательных переходов (1-4) и (0-2).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре "Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров" (Лохусалу, Эстония) в 1988 и 1990гг., на XIX Международной Конференции по Явлениям в Ионизированных Газах (1CPIG XIX, Belgrade, Yugoslavia 1989), а также научных семинарах ОМЭ, и опубликованы в 8 работах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка литературы из 102 наименований. Материал диссертации изложен на 115 страницах и включает 23 рисунка и 7 таблиц .

КРАТКОЕ СОДЕРЖАШЕ РАБОТЫ.

Во введениш дано обоснование актуальности работы, сформулирована ее цель, приводится краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе рассмотрена структура спектра молекулы ХеУ, приведен обзор основных результатов по измерению и интерпретации спектров генерации ХеР(В-Х) лазера, рассмотрена проблема узкополосного поглощения вблизи 351 нм, оказывающего влияние на спектр генерации лазера. Перечислены компоненты плазмы, являющиеся широкополосными поглотителями лазерного излучения, и кратко обсуждены основные работы по измерению сечений соответствующих процессов. Приведен обзор работ, посвященных моделированию ХеР(В-Х) лазера, показаны достоинства и недостатки опубликованных моделей. Обсуждается проблема построения адекватной модели колебательной релаксации верхнего и нижнего состояний, приводится краткий обзор работ, в которых измерялись или вычислялись скорости указанных процессов.

Вторая глава посвящена модели плазмохимических процессов, идущих в рабочей смеси, и ее верификации. В §2.1. дано детальное описание модели, приводится список реакций и соответствующих им констант. Обсуждается роль иона ИеХе+ в кинетике лазера, показано, что в рабочих условиях концентрация этого иона пренебрежимо мала. На этом основании предлагается модернизация традиционно используемой кинетической модели, заключающаяся в исключении иона ИеХе^ из числа рассматриваемых частиц. Дано описание модели в части, описывающей реакции с

участием низкоэнергетических электронов и приведен список сечений, использованных при расчете функции распределения электронов по энергии. Предложена простая аппроксимация сечения диссоциативной рекомбинации, позволяющая повысить точность описания этого процесса. В §2.2. приводится краткое описание языка записи плазмохимических реакций KIND, разработанного автором, и обсуждаются основные характеристики языка. В §2.3. приведены результаты расчетов концентраций компонент шазмн для смеси Ne и Хе, проводится сравнение результатов расчета с данными по поглощению и послесвечению плазмы, В §2.4. результаты расчетов концентрации электронов, сравниваются с экспериментальными данными. Показано, что предложенная модернизация кинетической схемы впервые позволяет получить плотность электронов, хорошо согласующуюся с экспериментально измеренной при малых концентрациях прилипателя.

Третья глава посвящена вопросам формирования спектров усиления и генерации. В §3.1. обсуждается вопрос о величине столкновительного уширеяия вращательных переходов молекулы ХеР. Из сравнения расчетного и экспериментального спектров усиления получена величина столкновительного уширения, показано, что этот параметр существенно влияет на величину сечения вынужденного излучения в области 351 нм. В §3.2. приводится описание модели колебательной релаксации и столкновительного перемешивания электронных состояний В и С. В §3.31 рассматривается влияние вращательной релаксации на формирование спектра генерации лазера, предлагается

приближение эффективного лазерного уровня, позволяющее учесть врашательную неравновесность наиболее простым способом. В §3.5. приводятся результаты моделирования спектров усиления в свободном режиме, а в §3.6. - при насыщении перехода излучением внешнего лазера. В §3.7. описываются приближения, использованные при моделировании спектра генерации лазера, приводятся результаты расчетов спектров генерации: временные зависимости населенностей колебательных уровней, интенсивноетей генерации в различных спектральных диапазонах, а также интегральные по времени спектры генерации лазера и его КПД для различных условий эксперимента.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ.

1. Построена компьютерная модель плазмохимических процессов, идущих в смеси Ne/Xe/F2, накачиваемой электронным пучком. В модели рассчитывается низкоэнергетичная часть ФРЭЭ, что позволяет с достаточной степенью достоверности оценивать роль тех или иных процессов, идущих с участием электронов. Показано, что между зависимостью константы диссоциативной рекомбинации от температуры электронов и зависимостью сечения этого же процесса от энергии электрона существует простая аналитическая связь, что позволяет строить более точные приближения сечений по температурным зависимостям констант.

2. Для автоматизации создания программы, моделирующей процессы в лазере, разработан язык символической записи плазмохимических реакций KIND. Его использование повышает надежность создаваемых программ и сокращает время их написания

и отладки.

3. Из сравнения расчетов и экспериментальных данных, а также из анализа литературных данных следует, что молекулярный ион ИеХе+ не надо учитывать в кинетической схеме процессов, идущих в смеси Ле/Хе. На основании этого изменения кинетической схемы впервые удалось получить . расчетные плотности электронов, хорошо согласующиеся с экспериментальными, полученными при малых концентрациях прилипателя. Рассмотрено влияние процесса прямой диссоциации молекулярных ионов электронным ударом. Показано, что этот процесс не следует учитывать при моделировании. Также показано, что прямая диссоциация фтора электронным ударом слабо сказывается на полной скорости выгорания фтора.

4. Построена модель колебательной релаксации нижних уровней молекулы ХеР в электронных состояниях В и С. По результатам сравнения расчетных и экспериментальных спектров усиления слабого сигнала получены константы колебательной релаксации я и столкновительного перемешивания электронных состояний В и С в рамках использованной модели.

5. Мз сравнения экспериментального и расчетного спектра усиления слабого сигнала определена величина столкновительного уширения вращательных линий перехода В-Х. Полученная величина столкновительного уширения (15 Ггц/атм) оказалась в несколько раз превышающей традиционно используемую величину в 3-5 Ггц/атм. Показано, что такое изменение уширения снижает пиковую величину сечения вынужденного излучения на переходе (1-4) приблизительно в два раза и позволяет значительно

улучшить совпадение рассчитанных и измеренных спектров усиления.

6. Предложен способ учета влияния скорости вращательной релаксации на характеристики лазера. Из сравнения экспериментального и расчетного спектров, полученных при насыщении активного перехода излучением внешнего лазера, определена константа скорости вращательной релаксации в рамках предложенной модели. Показано, что полная скорость вращательной релаксации в первом приближении пропорциональна ширине спектрального диапазона генерации/усиления, из чего следует оценка спектральной плотности излучения, при которой вращательная релаксация становится существенной: Ю-4 Вт/Гц.

7. Впервые предложена модель расчета спектра генерации ХеГ лазера адекватно описывающая большинство экспериментальных результатов. Полученные временные зависимости интенсивности генерации в различных спектральных полосах, а также интегральные по времени спектры генерации качественно совпадают с полученными экспериментально и демонстрируют те же качественные зависимости от температуры и мощности накачки. Предложенная модель дает хорошее совпадение зависимости КЦД ХеР(В-Х) лазера от температуры и мощности накачки. Показано, что увеличение КЦД лазера с ростом температуры газовой смеси обусловлено перераспределением населенностей колебательных уровней нижнего электронного колебательного состояния X молекулы ХеГ и соответствующим увеличением мощности генерации в области спектрально перекрытых колебательных переходов (1-4) и (0-2).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. I.G.Persiantsev, A.T.Rakhlmov, S.P.Rebrlk, N.V.Suetln. Computer simulation of XeF excited states kinetics In Ne/Xe/P2 mixture. In: Contributed papers of XIX Inter.Coni. on Phenomena In Ionized Gases, Belgrade, 1989, pp. 642-643.

2. I.G.Persiantsev, S.P.Rebrlk;, N.V.Suetln.

Computer simulation of electron distribution function in E-beam generated Ne-Xe plasma, in: Contributed papers of XIX Inter.Coni. on Phenomena in Ionized Gases, Belgrade, 1989, pp. 9T0-971.

3. И.Г.Персианцев, А.Г.Рахимов, С.П. Ребрик, Н.В.Суетин. Численное моделирование плазмохимических процессов в смесях Ne/Xe/Fg, возбуждаемых электронным пучком.

Физика плазмы, 1990, т.16, вып.6, с.743-750.

4. A.V.Abarenov, I.G.Persiantsev, A.T.Rakhlmov, S.P.Rebrlk, Ju.S.Shugai, N.V.Suetln.

Computer model of the electron-beam-excitel XeF(B-X) laser (Part 1 ). Препринт НШЯФ МГУ, 1990, № 90-45/191 .

5. A.V.Abarenov, I.G.Persiantsev, A.T.Rakhlmov, S.P.Rebrlk, Ju.S.Shugal, N.V.Suetln.

Computer model of the electron-beam-excited XeF(B-X) laser (Part 2). Препринт НШЯФ МГУ, 1990, * 90-46/192.

6. А.В.АОаренов, И.Г.Персианцев, А.Т.Рахимов, С.П.Ребрик, Н.В.Суетин, ¡0.С.Шугай.

Численное моделирование спектра генерации XeF(B-X) лазера с накачкой электронным пучком.

Квантовая электроника,1991, т.18, вып.7, с.785-790.

7. A.V.Abarenov, I .G.Perslantsev, A.T.Rakhlmov, S.P.Rebrik, Ju.S.Sh.ugai, K.V.Suetln.

Computer model of the electron-beam-excited XeF(B-X) laser. IEEE J.Quant. Electronics 1991, vol.27, No.7, p.1946-1953.

8. S.P.Rebrik;, A.V.Abarenov, Ju.S.Shugal, N.V.Suetln.

The role oi rotational and vibrational relaxation In formation oiXeF(B-X) laser/amplifier spectra. Препринт ШШЯФ МГУ, 1992, № 92-6/255.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Hays G.N., McArthur D.A., Neal B.R., Rice J.K. Gain measurements near 351 nm In He/Xe/NFg mixtures excited by fragments from the 3He(n,p)3H reaction, Appl. Phys. Lett., 1986, vol. 49, No. 7, p.363-365.

2. Finn T.G., Palumbo L.J., Champagne L.F. A Kinetics scheme for the XeF laser,

Appl. Phys. Lett., 1978, vol. 32, Ко. 2, p.148-151.

3. Blauer J.A., Yang T.T., Turner C.E., Copeland D.A. Excimer kinetics and multiline model for the electron-beam pumped XeF(B-X) laser,

Appl. Opt., 1984, vol. 23, No. 23, p.4352-4367.

4. Voges H., Marowsky G., Injection control of a discharge excited XeF(C-A) laser, 1988, vol. 24, No. 5, p.827-832.

5. Hsla J.C., Mangano J.A., Jacob J.H., Roknl M. Improvement in XeF laser efficiency at elevated temperatures, Appl. Phys. Lett., 1979, vol. 34, Ho. 3, p.2Q8-210.

6. Mandl А., litzenberger Ъ.

XeF laser at a high electron beam pump rate,

Appl. Phys. bett., 1987, vol. 51, No. 13, p.955-957.

7. Klmura W.D., Guyer D.R., Moody S.E., Seamans J.F., Ford. D.H. Electron density measurements oi electron-beara-pumped XeF and KrF laser mixtures,

Appl. Phys. Lett., 1987, vol. 50, No. 2, p.60-62.

8. bitzenberger 1., Mandl A. Increased XeF(B-X) laser efficiency at high pump rate and elevated temperature, Appl. Phys. Lett., 198S, vol. 52, No. 19, p.1557-1559.

9. Bürde D.H., Yang T.T., Harris D.G., Pugh L.A., Tlllotson J.H., Turner C.E., Merry G.A. Mechanisms for Improved XeP laser performance at elevated temperatures, Appl. Opt., 1987, vol. 26, No. 13, p.2539-2543.

10. Yang T.T., Bürde D.H., Harris D.G., Pugh L.A., Tlllotson J.H., Turner C.E., Copeland D.A. Spectra oi electron-beam pumped XeF lasers, Appl. Opt., 1988, vol. 27, No. 1,

p.49-57.

11. Klmura W.D., Seamans J.P., Guyer D.R. Narrowband gain saturation characteristics In XeF lasers, Appl. Opt., 1989, vol. 21, No. 21, p.4-533-4542.

12. Даншычев В.А., Долгих В.А., Керимов A.M. и др. Колебательная релаксация состояния В молекулы XeF, Квантовая электроника, 1987, т. 14, № Z, 399-401.

13 . Bott J.F., Heldner R.Î., Holloway J.S., Koilend J.B., Kwok M.A. Measuruments of XeF ground state dissociation and vibrational équilibrât Ion, J. Chem. Phys., 1988, vol. 89, No. 7, p.4154-4162. 14. Wllklns R.L. Theoretical calculations or XeF ground state kinetics, J. Chem. Phys., 1988, vol. 89, Mo. 10, p. 6267-6274.