Управнение характеристиками излучения и применение XеCl-лазеров и ВКР-преобразователей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ

РГЙ од

УДК 535.3:533.9

7 - АВГ 2000

НЕДЕЛЬКО Михаил Иванович

УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ХсС1- ЛАЗЕРОВ И ВКР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

01.04.05 - Оптика 01.04.08 - Физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Минск - 2000

Работа выполнена в Институте молекулярной и атомной физики Национальной Академии Наук Беларуси

Научные руководители: академик HAH Беларуси, доктор

физико-математических наук, профессор Бураков B.C.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Бохонов А.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Архипенко В.И.

кандидат физико-математических наук Козин В.П..

Оппонирующая организация ■

Гродненский государственный университет им. Я. Купалы

Защита состоится

с-и-оиЛ

2000г. в 1430 на

заседании совета по защите диссертаций Д 01.01.01 при Институте молекулярной и атомной физики HAH Беларуси (220072, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 70; тел. 284-17-25).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института молекулярной и атомной физики HAH Беларуси.

Автореферат разослан" " ^¿-¿¿¿Ц 2000 г.

Учёный секретарь совета по защите диссертаций, доктор физ.-мат. наук

В.А. Кузьмицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

Многие научные и технические применения эксимерных лазеров в значительной степени зависят от качества пучка, его спектральных, пространственных и энергетических характеристик, длительности и формы импульса генерации. Такие особенности эксимерных электроразрядных лазеров, как малые времена существования инверсной населенности и большие длины активных сред, приводят к тому, что управление их пространственными и спектральными характеристиками вызывает определенные трудности и требует разработки таких способов, которые не столь критичны к числу обходов излучения по резонатору. Ранее в лазерах, характеризующихся относительно большими временами существования инверсной населенности активных сред, для управления расходимостью излучения использовался самофильтрующий конфокальный неустойчивый резонатор. Однако оставалась не подтвержденной экспериментально принципиальная возможность формирования при малых коэффициентах увеличения расходимости пучка близкой к дифракционной за небольшое число обходов излучением резонатора. Кроме того, из-за сферичности распространяющихся внутри резонатора волн актуальным является развитие методов управления спектром генерации лазера, когда работа селектирующих элементов не критична к форме фронта падающей волны.

Увеличение диапазона генерируемых длин волн позволяет значительно расширить возможности применения эксимерных лазеров. Высокоэффективным и часто используемым методом частотного преобразования является вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) излучения в сжатых газах. Важное значение имеет исследование процесса ВКР-преобразования для установления возможности управления в широких пределах характеристиками лазерного излучения. Повышение эффективности ВКР связано с поиском оптимальных выходных характеристик системы излучатель - преобразователь. Высокие плотности мощности световых потоков, распространяющихся в газовой среде, наряду с преобразованием в основные стоксовые и антистоксовые компоненты приводят к проявлению и других нелинейно- оптических процессов. Для установления влияния на эффективность преобразования этих конкурирующих процессов возникает необходимость исследования ВКР- преобразования в условиях интенсивной накачки.

Изучение физических явлений, происходящих при воздействии лазерного излучения на различные материалы, необходимо с точки зрения многочисленных технологичных применений. Одним из достоинств эксимерных лазеров является то, что их спектр генерации находится в области сильного поглощения света большинством материалов. Эффективность процесса поглощения повышается в условиях, когда частота излучения совпадает с частотой электронного перехода атомов и молекул, на которые производится воздействие. Вопрос влияния спектрального состава падающего излучения на параметры эрозионного факела требует дальнейшего рассмотрения. Представляет интерес сравни-

тельный анализ влияния резонансного и нерезонансного воздействий на процесс образования плазмы.

Связь с крупными научными программами, темами Исследования проводились в рамках общесоюзных и республиканских государственных научно-технических программ: "Лазер 2.70" (1985г.) тема "Разработать и передать НТО АН СССР техническую документацию и опытные образцы автоматизированных лазерных приборов для исследования кинетики быстропротекающих процессов и контроля состава вещества", № госрегистрации 81101704; "31.01Р Белоптика" (1992- 1995гг.), тема "Эксимерные лазеры с прецизионными характеристиками и ВКР-преобразователи частоты их излучения; "Природопользование и охрана окружающей среды" (1997-1998гг), тема "Применение излучателя на основе эксимерного лазера в лидарной системе контроля высотного распределения озона", № госрегистрации 19972254; государственных программ фундаментальных исследований: "Плазма 2.26" (19861990гг.), тема "Разработка методов и аппаратуры для определения элементного и молекулярного состава веществ", № госрегистрации 01860044042; "Лазер 3.34" (1991-1995гг.), тема "Разработка физических принципов, методов и аппаратуры управления пространственно-временными и спектральными характеристиками источников УФ-излучения, основанных на эксимерных лазерах и нелинейных преобразователях частоты"; "Квант 07" (1995-2000гг), тема "Разработка физических принципов управления длительностью импульсов излучения электроразрядных эксимерных лазеров, основанных на использовании магнитных переключателей и нелинейных газоплазменных преобразователей частоты излучения"; и по программам Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований: № Ф8-091 (1994-1996гг), тема "Разработка способов стимулирования физико- химических превращений в неравновесных лазерно- плазменных средах"; № Ф95-110 (1996-1998гг), тема "Физико- химические процессы в неравновесных плазменных средах в режимах образования кластеров; проблемы получения и диагностики", № госрегистрации 19963831; № Ф95-106 (1996-1998гг), тема "Разработка методов управления пространственными и спектральными характеристикам^ излучения лазеров с неустойчивыми резонаторами, аподизирующими диафрагмами и нелинейными преобразователями частоты излучения", № госрегистрации 19963829.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы являлось установление закономерностей и разработка методов и аппаратуры управления пространственными, временными и спектральными характеристиками источников УФ излучения, основанных на эксимерных лазерах и ВКР- преобразователях частоты в сжатом водороде, и оптимизация условий получения и диагностики плазмы при воздействии концентрированных световых потоков на различные материалы.

Для выполнения поставленной цели исследования требовалось решить следующие задачи:

♦ выяснить особенности формирования диаграммы направленности излучения электроразрядного ХеС1- лазера с малым временем существования инверсной населенности активной среды в зависимости от параметров неустойчивого конфокального самофильтрующего резонатора;

♦ определить условия сужения спектра и стабилизации длины волны генерируемого излучения частотно- периодического ХеС1- лазера с плазменной фазо-во- поляризационной ячейкой внутри резонатора;

♦ исследовать процесс ВКР- преобразования УФ-излучения на вращательных и колебательных переходах в газообразном водороде с возбужденных состояний молекул комбинационно- активной среды, заселяемых в процессе развития оптического пробоя;

♦ изучить особенности образования плазмы при резонансном и нерезонансном воздействиях излучения лазера; установить различие спектральных характеристик плазменного факела в зависимости от длины волны излучения, воздействующего на металлическую поверхность.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являлось взаимодействие концентрированных потоков излучения с веществом, а предметом исследования - эксимерный электроразрядный ХеС1-лазер, ВКР- преобразователь его излучения на сжатом водороде и плазма, создаваемая при воздействии световых потоков на поверхность твердых тел.

Методология и методы проведенного исследования

Управление выходными характеристиками эксимерного лазера с малым временем существования инверсной населенности и ВКР- преобразование его излучения в сжатом водороде проведены методами оптики, спектроскопии и квантовой электроники. Лазерно- индуцированная флуоресценция, эмиссионная спектроскопия с разрешением по времени и зондовые измерения применялись при проведении диагностики плазмы, возникающей вблизи поверхности твердых тел.

Научная новизна и значимость полученных результатов

♦ Полученные результаты углубляют существующие представления о механизмах формирования потоков излучения в эксимерных лазерах с малым временем существования инверсной населенности, ВКР- преобразовании в условиях оптического пробоя и динамике формирования компонентного и зарядового состава в эрозионной плазме, а также представляют практический интерес и могут быть использованы в нелинейной оптике, плазмохимии, при решении аналитических задач.

♦ Впервые для ХеС1- лазера с самофильтрующим неустойчивым конфокальным резонатором с коэффициентом увеличения > 2 экспериментально доказана возможность формирования диаграммы направленности, близкой к дифракционному пределу, не более чем за два обхода излучением резонатора. При этом пучок имеет круговую симметрию, гладкое, близкое к гауссовому поперечное распределение интенсивности.

♦ Показано, что при помощи резонансного фазово- поляризационного метода при использовании в качестве внутрирезонаторного селектора плазмы тлеющего разряда с алюминиевым полым катодом достигается эффективное сужение спектра частотно- периодического ХеС1- лазера с 0,85 до 0,003 нм и обеспечивается стабилизация длины волны лазерного излучения в пределах доплеров-ского контура, которая при других способах сужения спектра требует специальных устройств для исключения механических и температурных возмущений.

♦ Установлено, что на стадии развития лазерной искры снижается коэффициент преобразования в компоненты попутного ВКР из основного состояния молекул. С повышением эффективности ВКР, которое достигается за счет увеличения длины рассеивающей среды или введения обратной связи, создаются условия для дискриминации оптического пробоя, либо полного его подавления.

♦ Впервые показано, что на начальной стадии развития оптического пробоя в сжатом водороде при ВКР- преобразовании интенсивного частично деполяризованного излучения ХеС1- лазера на колебательных и вращательных переходах молекул генерируется большое число (около 30) спектральных компонент в диапазоне от 245 до 631 нм.

♦ На примере лазерного распыления алюминия излучением эксимерного ХеС1-лазера и его стоксовыми компонентами в сжатом водороде впервые обнаружен ограниченный диапазон значений плотности мощности излучения, при котором влияние резонансного поглощения в приповерхностной плазме становится доминирующим. Установлено примерно двукратное снижение порога плазмооб-разования при резонансном воздействии лазерного излучения на алюминий.

♦ Показано, что основным механизмом увеличения заселенности возбужденных состояний атомов алюминия, эмитируемых с поверхности алюминиевой мишени под действием излучения ХеС1-лазера, является резонансное поглощение и ионизация с последующей столкновительной рекомбинацией.

Практическая значимость полученных результатов

♦ На основании проведенных исследований по разработке методов управления выходными характеристиками излучения эксимерного лазера и в соответствии с условиями технических заданий хозяйственных договоров №690 (1986г.), №780 (1987г.), №804 (1988г.), выполненных в ИФ АН БССР, были разработаны, изготовлены и поставлены заказчикам два электроразрядных ХеС1- лазера и одна лазерная система (задающий генератор и усилитель) с малой расходимостью пучка излучения и узкой линией генерации.

♦ Разработанная и изготовленная система эксимерный лазер - ВКР- преобразователь вошла в состав лидарного комплекса мониторинга стратосферного озона по методу дифференциального поглощения, которая создана по заданию 4.3.7.1. Государственной научно- технической программы "Природопользование и охрана окружающей среды" и установлена в лаборатории оптики рассеивающих сред Института физики НАН Беларуси.

♦ Установлено существование оптимальных мощностных и пространственных характеристик излучения системы ХеС1 -лазер - ВКР-преобразователь, обеспечивающих максимальное ВКР- преобразование в стоксовые компоненты.

♦ На основании проведенных исследований разрушения металлических фолы под действием излучения ХеС1- лазера с неустойчивым телескопическим резонатором оптимизированы условия сверления цилиндрических отверстий малого диаметра (20 мкм) в пластинках из нержавеющей стали толщиной 100- 500 мкм и разработана технология изготовления жиклеров для дозированного напуска газов в приборах газовой хроматографии по заказу предприятия "ОПТРОН" в г. Минске.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. При использовании самофильтрующего конфокального неустойчивого резонатора с малым коэффициентом увеличения формируется близкая к дифракционному пределу расходимость излучения электороразрядного ХеС1- лазера с малым временем существования инверсной населенности не более чем за два обхода излучением резонатора.

2. Использование резонансного фазово- поляризационным метода и плазмы тлеющего разряда с полым катодом из алюминия в качестве внутрире-зонаторного селектора позволяет достичь сужения спектра более чем на два порядка и стабилизировать длину волны линии генерации частотно-периодического ХеС1- лазера в пределах доплеровского контура спектральной линии атома алюминия, вне зависимости от механических и температурных возмущений резонатора.

3. Генерация многочастотного ВКР- излучения на вращательных и колебательных переходах молекул водорода под действием высокоинтенсивных потоков частично-деполяризованного излучения ХеС1- лазера эффективно развивается на начальной стадии формирования оптического пробоя в результате столкновительного заселения верхних "уровней молекул комбинационно-активной среды.

4. Резонансный характер воздействующего излучения ХеС1- лазера приводит к дополнительному увеличению концентрации ионов вблизи поверхности алюминиевой мишени, достигающей при определенных условиях двукратной величины, и проявляется в ограниченном диапазоне плотности мощности.

Личный вклад соискателя

Содержание диссертации отражает личный вклад автора в постановку задач (совместно с научными руководителями), подготовку и проведение исследований, обработку полученных результатов, их анализ и интерпретацию. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Другие соавторы публикаций по теме диссертации занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.

Апробация результатов диссертации

Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: Республиканской конференции молодых ученых по спектроскопии и квантовой

электронике (Паланга, 1987г.); VII Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с веществом, (Ленинград, 1988г.); 3-ей Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом" (Москва, 1988г.); VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990г.); Европейской конференции по квантовой электронике (Эдинбург, 1991г.); Международной конференции "Оптика лазеров 93" (С.-Петербург, 1993г.); Республиканской конференции "Научное и аналитическое приборостроение" (Минск, 1995г.); Международной конференции "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1995г.); Международной конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, 1995г.); Международной конференции 29EGAS (Берлин, ФРГ, 1997г.); Международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1997г.); Международной конференции "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1997г.); Республиканской конференции молодых учёных по квантовой электронике (Минск, 1994г.); Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998г.); Международной конференции "European Materials Research Society Spring Meeting E-MRS'98 (Страсбург, Франция, 1998); YI Международной конференции ECAMP (Сиена, Италия, 1998г.).

Опубликованноеть результатов

Основные результаты диссертации опубликованы в 29 научных работах, среди которых 14 статей, 14 тезисов докладов, 1 препринт. Общий объем опубликованных материалов составляет 100 страниц.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырёх глав, заключения и списка использованных источников.

Объём диссертации составляет 146 страниц, в том числе 97 страниц текста, 64 иллюстрации на 31 странице, 5 таблиц, 16 страниц списка использованных источников, включающего 215 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассмотрено состояние исследуемой проблемы.

В общей характеристике обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель работы, поставлены задачи, указаны объект и методы исследования, определена научная новизна и практическая значимость работы, приведены защищаемые положения и сведения о публикациях по теме диссертации.

В главе 1 дан обзор современного состояния экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию эксимерных лазеров.

.В первом разделе рассматриваются различные способы предыонизации и возбуждения активной среды, приводятся спектральные характеристики эксимерных молекул и результаты исследований кинетики процессов, ответственных за их образование и распад. Указаны достигнутые значения выходных

параметров излучения и перспективы развития эксимерных лазеров в направлении увеличения мощности и энергии генерации.

Во втором разделе приведены известные методы управления пространственными, спектральными, временными и энергетическими характеристиками излучения эксимерных лазеров, сделан сравнительный анализ способов управления пространственными и спектральными характеристиками излучения. В зависимости от конкретных параметров лазера рассмотрены различные подходы к управлению длительностью генерации и указаны их преимущества и недостатки. Анализируются причины, влияющие на стабильность энергетических характеристик, и рассматриваются способы управления пространственным распределением интенсивности по сечению пучка. Показана потребность в разработке таких способов управления пространственными и спектральными характеристиками эксимерных лазеров, которые были бы не столь критичны к числу обходов излучения по резонатору.

В третьем разделе рассмотрены области применения эксимерных лазеров. Показано, что эти источники УФ излучения нашли широкое применение в научных исследованиях, фотохимии, при обработке материалов, медицине, нелинейной оптике при частотном преобразовании излучения. Отмечено, что качество пучка лазерного излучения является основным критерием успешного применения эксимерных лазеров.

Вторая глава посвящена разработке методов управления выходными характеристиками излучения электроразрядных ХеС1-лазеров.

В разделах 2.1, 2.2 приведено описание экспериментальной установки, методики проведения измерений и изложены результаты исследований экси-мерного лазера с базой резонатора - 35 см и объемом активной среды - 20x2x1 см3. Для возбуждения активной среды использовался LC- генератор. Однородность разряда и воспроизводимость его параметров обеспечивались равномерной по всему объему автоматической УФ предыонизацией искровыми разрядами, стабилизированными по току. Направления разрядов предыонизации и основного были перпендикулярны. Энергии импульсов генерации лазера при оптимальных составах газовых смесей HCl: Хе: Не~ 1:10:500 и - CCU: Хе: Не=1:40:2400 и общем давлении в камере- 0,3 МПа составили 15 мДж и 10 мДж, а длительность - 11 не и 7 не, соответственно. Диапазон разброса значений энергии излучения от импульса к импульсу находился в пределах 2+3% от средней энергии и зависел от состава смеси, общего давления и напряжения питания. В случае плоского резонатора расходимость пучка была довольно большой и при использовании хлористого водорода в качестве галогеноносителя составляла 6,8x4,2 мрад, а при его замене на четыреххлористый углерод -6,1x3,9 мрад. Для неустойчивого телескопического резонатора расходимость излучения составила 130x90 мкрад.

В разделе 2.3 рассмотрен способ управления спектральными характеристиками излучения ХеС1- лазера (размер активной среды - 60x2x0,8 см3) с помощью фазово-поляризационного метода. Для этого внутрь резонатора между

двумя линейными поляризаторами помещалась плазма, обогащенная парами алюминия, на которую накладывалось продольное магнитное поле. Распространение через плазму излучения приводило к повороту его плоскости поляризации на линии поглощения АН 308,15 нм. Значение угла поворота зависело от концентрации атомов алюминия, напряженности магнитного поля и соответствовало расчетным значениям. В качестве атомизатора применялась лампа с алюминиевым полым сквозным катодом. Блок питания лампы позволял задавать и поддерживать определенное значение тока тлеющего разряда и накладывать на это постоянное значение токовый импульс прямоугольной формы с частотой следования от единиц до 50 Гц с регулируемой в широких пределах длительностью и амплитудой.

На рисунке 1 приведен контур линии генерации ХеС1 -лазера в режиме

привязки к линии алюминия при

Рис. 2. Спектральный контур линии излучения ХеС1- лазера в режиме привязки.

напряженности магнитного поля 8х105 А/и. Ширина линии на полувысоте равна 0,003 нм (ширина спектра генерации без селекции излучения - 0,85 нм). Излучение генерировалось в виде одиночного импульса с гладкой гауссовой временной огибающей, причем происходило изменение формы импульса и сокращение его длительности до 9 не на полувысоте по сравнению с 15 не в режиме свободной генерации. Расходимость лазерного пучка по двум взаимно перпендикулярным направлениям была одинаковой и составляла 1,5 мрад при средней мощности в импульсе- 50 кВт. При напряженности магнитного поля 1,2х106 А/м наблюдалось расщепление линии на две компоненты, причем длинноволновая компонента по интенсивности значительно слабее коротковолновой. Это связано с тем, что она сдвигается в область спектра, где коэффициент усиления активной среды меньше. Величина расщепления составляет 0,009 нм и хорошо согласуется с результатами численного расчета. Поскольку в центре разряда в полом катоде концентрация атомов алюминия выше и более или менее быстро спадает в поперечном направлении, то пропускание резонатора максимально в центре разряда и плавно уменьшается к его краю. Следовательно, такая ячейка Фара-двя служит одновременно спектральным селектором и аподизирующей диафрагмой. Кроме того, данная ячейка применима в лазерах с неустойчивыми резонаторами для управления как спектральными, так и пространственными характеристиками излучения.

308,18 308,21 308,24 X., нм

В разделе 2.4 приведены результаты экспериментального исследования динамики формирования диаграммы направленности излучения ХеС1-лазера с размерами активной среды 50x2x0,8 см3 в зависимости от коэффициента увеличения неустойчивого резонатора. Лазер с плоским резонатором генерировал излучение с энергией 20 мДж и расходимостью 6,5 мрад по большой и 2,5 мрад по малой апертурах пучка. Самофильтрующийся конфокальный неустойчивый резонатор ХеС1- лазера был образован двумя вогнутыми сферическими зеркалами. Радиус кривизны одного зеркала оставляли постоянным (2070 мм), а другого изменяли от 100 мм до 1500 мм. При этом коэффициент увеличения резонатора М (отношение радиусов кривизны двух зеркал) варьировался от 20,7 до 1,4, а база резонатора изменялась от 108,5 см до 178,5 см. Между зеркалами резонатора в области их общего фокуса помещалась диафрагма. Рядом с диафрагмой устанавливались тонкопленочный диэлектрический поляризатор, четвертьволновая фазовая пластинка, с помощью которых осуществлялся поляризационный вывод излучения из резонатора. Для обеспечения самофильтрации излучения и получения на выходе из резонатора потока излучения с гладкой поперечной структурой радиус диафрагмы а выбирался близким к радиусу р диска Эйри дифракционной структуры р= 1,22Х£?2а= а, где £-фокусное расстояние зеркала, Х-длина волны излучения лазера. На основе численного анализа пустого резонатора показано, что при М>2 дифракционная диаграмма направленности генерируемого потока может формироваться менее чем за два обхода резонатора.

В результате проведенных исследований установлено, что энергия в дифракционном керне Ед изменяется'от 0,15 мДж до 1,0 мДж при изменении М от 1,4 до 20,7. Видно, что энергия возрастает в 7 раз, а объем основной моды увеличивается в 12 раз. Несовпадение кратности возрастания энергии с увеличением генерирующего объема активной среды объясняется увеличением потерь излучения на диафрагме с ростом коэффициента увеличения резонатора. При возрастании М длительность импульсов как суммарного излучения, так и излучения, содержащегося в дифракционном керне, уменьшается. Из анализа формы импульсов следует, что формирование лазерного пучка осуществляется в течение не более двух обходов резонатора. При М=20,7 излучение, содержащееся в дифракционном керне, генерируется в виде гладкого одиночного импульса, практически совпадающего с гауссовой временной огибающей. Пучок имеет круговую симметрию, гладкое, близкое к гауссовому поперечное распределение. Длительность генерации на полувысоте составляет 7 не, а расходимость приблизительно 100 мкрад. Графики, демонстрирующие изменение расходимости излучения в зависимости от коэффициента увеличения резонатора, приведены на рисунке 2, где кривая ¡-экспериментальное значение, 2- данные расчета. Измеренное значение величины расходимости превышает дифракционный предел на 25-^60%. Следовательно, полученные результаты исследования пространственных характеристик излучения позволяют сделать вывод о том, что в лазере с самофильтрующим конфокальным неустойчивым резонато-

ром при М> 1.4, близкая к дифракционной диаграмма направленности успевает формироваться менее чем за 2 обхода излучением резонатора.

В разделе 2.5 приводятся результаты исследования лазерной системы, состоящей из генератора и усилителя, размещенных в одной камере. Для возбуждение активной среды в каналах генератора и усилителя использовалась электрическая схема с общим коммутирующим

Рис. 2. Зависимость расходимости излучения лазера 0 от коэффициента увеличения резонатора M (1- эксперимент, 2- расчет).

350

10 15 M

тиратроном, представляющая собой комбинацию схемы Блюмляйна и схемы с перезарядкой емкости. Проведена оптимизация энергетических характеристик излучения лазерной системы от величины обострительных и накопительных конденсаторов, парциального и общего давлений газовой смеси, межэлектродных расстояний при параллельном и последовательном соединении разрядных промежутков генератора и усилителя. В одном из вариантов лазерной системы резонатор задающего генератора был образован плоскими зеркалами с коэффициентами отражения 80% и 98% и дифракционной решеткой, содержащей 1800 штр/мм и установленной под углом скользящего падения («86°). Внутри резонатора устанавливались твердотельный интерферометр Фабри-Перо с базой 3 мм и две диафрагмы. Излучение генератора заводилось в усилитель через глухое вогнутое зеркало, имеющее в центральной части просветленное отверстие диаметром 2 мм. При перестройке длины волны излучения задающего генератора с помощью дифракционной решетки ширина линии на выходе усилителя изменялась в зависимости от положения относительно контура усиления. Максимальная энергия генерации (30 мДж) получена при настройке на кант одной из двух центральных полос молекулы ХеС1, а ширина линии излучения на полувысоте равнялась 0,003 нм. Хотя параметры выходящего из лазерной системы излучения зависели от длины волны, тем не менее, оказалось возможным плавно перестраивать длину волны в диапазоне 307,7 - 308,4 нм.

Глава 3 посвящена управлению выходными характеристиками излучения ХеС1-лазера с ВКР- преобразователем.

В разделе 3.1 дается описание экспериментальной установки. Исследуются прострайственные и мощностные характеристики ХеС1 -лазера с телескопическим неустойчивым резонатором и поляризационным выводом излучения в зависимости от коэффициента увеличения резонатора М и диаметра внутрире-зонаторной диафрагмы. Показано, что изменяя М, можно управлять расходимостью генерируемого потока в достаточно широких пределах. Однако при малых

М не удается сформировать гладкое поперечное распределение интенсивности лазерного пучка. Поэтому была опробована возможность управления пространственными характеристиками излучения с помощью внутрирезонаторной диафрагмы. В лазере использовался резонатор с относительно малым коэффициентом увеличения (М=3,54). При изменении диаметра диафрагмы от 0,2 мм до 0,8 мм происходило увеличение расходимости выходного потока в 7 раз от 0,05 до 0,35 мрад. Для устранения из поперечного распределения интенсивности по сечению пучка дифракционных колец использовался пространственный фильтр.

В разделе 3.2 рассматривается оптимизация системы ХеС1-лазер-ВКР-преобразователь. В приближении усиления слабого сигнала выполнен расчет величины интенсивности первой стоксовой компоненты ВКР в сжатом водороде излучения ХеС1- лазера в зависимости от мощности и расходимости возбуждающего потока. Значение мощности определялось для каждого значения расходимости по измеренным величинам энергии и длительности лазерного излучения. Вариация этих параметров осуществлялась посредством изменения внутрирезонаторной диафрагмы. Экспериментально установлено существование максимумов зависимости интенсивности излучения стоксовых компонент от расходимости излучения накачки (0,4 мрад для первой, 0,36 мрад для второй, 0,18 мрад для третьей и 0,15 мрад для четвертой стоксовых компонент). Результаты экспериментального исследования качественно соответствуют расчетным значениям. В оптимальном режиме в компоненты ВКР преобразовывалось до 70% квантов лазерного излучения.

В разделе 3.3 анализируется процесс ВКР-преобразования в сжатом водороде излучения ХеС1-лазера в условиях оптического пробоя. За счет использования возбуждающего излучения с широкой спектральной полосой реализовалась конкуренция оптического пробоя только с попутным ВКР. Временные и энергетические характеристики падающего, рассеянного и прошедшего потоков излучения и свечение искры исследовались в зависимости от длины кюветы, давления водорода, плотности мощности и условий фокусировки. В кювете длиной 7 см, заполненной водородом при давлении 28 атм., порог лазерной искры достигался при плотности мощности, равной 20 ГВт/см2. Установлено, что влияние оптического пробоя на процесс ВКР- преобразования начинает сказываться на заднем фронте импульса накачки и приводит к снижению эффективности преобразования в основные стоксовые компоненты, соответствующие переходу между основным и первым возбужденным колебательными уровнями. Увеличение длины взаимодействия излучения накачки с комбинационно-активной средой приводило к повышению эффективности ВКР и дискриминации оптического пробоя, либо полного его подавления. Подавление оптического пробоя связано с уменьшением плотности мощности излучения в области перетяжки пучка за счет увеличения потерь накачки на возбуждение колебательных уровней молекулы водорода в результате ВКР- преобразования вне этой области, а также за счет изменения расходимости суммарного потока.

В разделе 3.4 показано, что развитие оптического пробоя, в свою очередь, существенным образом влияет на увеличение населенности возбужденных уровней молекул водорода. При допороговых интенсивностях возбуждения излучением со степенью поляризации, равной 0.4, сжатого (28 атм) водорода в кювете длиной 7см в спектре преобразованного излучения наблюдались основные стоксовые и антистоксовые компоненты. А при плотности мощности 27 ГВт/см2 в условиях оптического пробоя за счет колебательного и вращательного ВКР генерировалось около 30 спектральных компонент, расположенных в диапазоне 245 - 631 нм. Значения волновых чисел преобразованного излучения, приведенные в таблице, получены экспериментально и рассчитаны по формуле: vmn/k = v„ + mv{Qoi} + nv{Qu} + lv{Q23} + kv{S00}. Где v^ - частоты рассеяния, vH - частота накачки, v{Q0i}, v{Q]2}, v{Q23} - частоты колебательных переходов 0 - 1, 1 - 2, 2 - 3, v{Soo} - частота вращательного перехода между уровнями 0 - 0, m,n,/,k -целые числа равные 0, ±1, ±2.....Пороги вынужденного рассеяния на переходах Q]2 и Q23 достигались при интенсивности возбуждающих потоков, равных 17 и 22 ГВт/см2, соответственно. Столь малое различие этих величин обусловлено влиянием плазмы оптического пробоя на заселение второго колебательного уровня молекулы водорода. Подтверждением этому служит снижение эффективности преобразования в основные стоксовые компоненты по мере развития лазерной искры. Кроме того, в сопоставимых экспериментальных условиях, но в кювете длиной 20 см, порог пробоя не достигался, и не наблюдалась генерация компоненты на переходе Q23.

В последнем разделе 3.5 приведены результаты оптимизации параметров излучения эксимерного лазера с ВКР- преобразователем, который используется в качестве излучателя лидарного комплекса мониторинга стратосферного озона. Показана возможность увеличения энергии генерации ХеС1-лазера за счет повышения однородности разряда. Снижение потерь накачки за счет уменьшения эффективности преобразования в антистоксовые и высшие (кроме первой) стоксовые компоненты проводилось'.посредством изменения дисперсии рассеивающей среды и расходимости воздействующего излучения. Установлено, что способ вариации расходимости воздействующего излучения является более эффективным для управления процессам ВКР-преобразования в стоксовые компоненты, по сравнению с изменением дисперсии рассеивающей среды.

В четвертой главе отражены результаты диагностики эрозионного факела, создаваемого у поверхности мишени излучением ХеС1- и ВКР-лазеров.

В разделах 4.1, 4.2 описаны экспериментальная установка, методика проведения эксперимента и изложены результаты исследований образования плазмы у поверхности мишеней из алюминия, меди, графита и висмута в вакууме (1 Па) и при нормальном атмосферном давлении (105 Па).

Плотность мощности лазерного воздействия варьировалась в пределах ~ 10"2-ь103 МВт/см2. Концентрация нейтральных атомов и ее изменение во времени были определены по результатам обработки контуров самообращенных

Таблица

Значения волновых чисел вращательно-колебательного ВКР _______излучения ХеС1- лазера в водороде_

Расчетное значе- Регистрируемое

№ ш п 1 к ние волновых значение волно-

п/п чисел (см"') вых чисел (см"1)

1 -4 0 0 0 15847,5 15847

2 -4 2 -1 -1 19410,5 19410

3 -4 1 0 0 19767,5 19767

4 -2 -1 0 0 20237,5 20244

5 • -3 0 0 0 20002,5 20002

6 -2 -2 1 1 20595 20598

7 -3 2 -1 -1 23565,5 23568

8 -2 0 0 -1 23570,5 23570

9 -1 -1 0 -1 23805,5 23805

10 -3 1 0 0 23922,5 23922

11 -2 0 0 0 24157,5 24157

12 -1 -1 0 0 24392,5 23395

13 0 -2 0 0 24627,5 24633

14 -1 -2 1 1 24750 24751

15 -1 0 0 -1 27725,5 27725

16 0 -1 0 -1 27960,5 27962

17 -2 1 0 0 28077,5 28080

18 -1 0 0 0 28312,5 28312

19 0 -1 0 0 28547,5 28551

20 0 0 -1 0 28777,5 28787

21 0 -2 1 1 28904,5 28903,5

22 0 0 0 0 32467,5 32467,5

23 0 0 0 -1 31880,5 31885

24 -1 1 0 0 32232,5 32235

25 1 -1 0 0 32702,5 32702

26 0 0 0 1 33054,5 33052

27 1 0 0 -1 36035,5 36038

28 0 1 0 0 36387,5 36387

29 1 0 0 0 36622,5 36622

30 2 -1 0 0 36857,5 36860

31 2 0 0 0 40777,5 40777

линий атомов алюминия А11396,15 нм и меди Си1 324,75 нм. Регистрировались временные развертки свечения атомов материала мишени в пределах контура линии испускания, которые затем преобразовывались во временные зависимости контуров линий. Для уменьшения оптической толщины плазмы и устранения в одном направлении заметной реабсорбции излучения, мишень из монолитного образца была заменена комбинированной мишенью, где между двумя

массивными медными пластинами закреплялась алюминиевая фольга, толщина которой была равна 35 мкм. Из анализа контуров линий испускания атомных систем в приближении определяющего вклада в уширение электрического поля определялась концентрация зарядов и их изменение во времени. Методом разрешенной во времени эмиссионной спектроскопии измерялись скорости разлета частиц при различных значениях плотности мощности. Определены пороги образования эрозионной плазмы для ряда материалов.

В разделе 4.3 представлены результаты исследования воздействия на алюминиевую мишень в вакууме излучения лазерной системы на резонансной (Л=308,21 нм) и на отстроенной от резонанса (1=307,8 нм) длинах волн. Для создания одинаковых условий воздействия излучения на двух длинах волн вы-

Рис. 3. Зависимость величины боР даины волны ионного тока I от плотности мощности лазерного излучения Р при резонансном (1) и нерезонансном (2) воздействиях.

второй линии был сделан таким образом, чтобы энергия и

расходимость воздействующего излучения для

нерезонансного и резонансного случаев совпадали. Методом зондовых измерений определялись величины ионного тока от плотности мощности лазерного излучения для резонансного и нерезонансного случаев воздействий (рис. 3). Из анализа зависимостей следует, что в области малых значений плотности мощности лазерного импульса (примерно 25 Мвт/см2) на процесс появления зарядов не оказывает влияния длина волны воздействующего излучения. Этот результат свидетельствует о том, что при данной плотности мощности отсутствует механизм ступенчатой ионизации паров алюминия. По мере увеличения плотности мощности наблюдается разделение двух кривых. Для резонансного воздействия зависимость выхода ионов от плотности мощности лазерного излучения носит линейный характер. В то время как при нерезонансном воздействии эта величина плотности зарядов при тех же значениях интенсивности примерно в два раза ниже, а начиная с плотности мощности примерно 50 МВт/см2, угол наклона кривой увеличивается и даже превышает наклон кривой для резонансного воздействия.

В разделе 4.4 анализируются параметры эрозионного факела, создаваемого излучением ХеС1 -лазера (308 нм, 10 не, 20 мДж), однопроходового ВКР-лазера на сжатом водороде и лазера на АИГ:№3+ (1064 нм, 10 не, 200 мДж). Частотное преобразование излучения эксимерного лазера в первую (353 нм) и вторую (414 нм) стоксовые компоненты ВКР осуществлялось в кювете, заполненной водородом под давлением 50 атм. Регистрация свечения продуктов эрозии осуществлялась на линии АН 396,15 нм и на длине волны X = 490 нм (фоновое свечение) при откачке камеры до 10"3 Тор. Интенсивности свечения в области сплошного спектра (по сравнению с линией АН 396,15 нм) выше для

ЛИГ:Кс33+-лазера и стоксовых компонент (353 и 414 нм), а при воздействии излучения эксимерного лазера наблюдалась противоположная ситуация. Формы контуров линии АН 396,15 нм значительно отличаются для различных длин волн воздействующего потока. При воздействии пучком ХеС1-лазера в допоро-говом режиме линия излучения узкая, а при облучении поверхности светом АИГ:Ш3+-лазера контур линии испускания уширен и самообращен. Это указывает на то, что основная масса распыленного материала во втором случае состоит из атомов в основном состоянии. Пороги плазмообразования и зависимости интенсивности свечения от плотности мощности при воздействии на длинах волн эксимерного лазера и его стоксовых компонент ВКР-преобразования примерно одинаковы. Следует отметить, что энергии квантов излучения эксимерного лазера и первой стоксовой компоненты больше, а второй стоксовой компоненты меньше, энергии химической связи атома алюминия. Отличительной особенностью является то, что при облучении алюминиевой мишени на длине волны 353 нм (по сравнению со случаем воздействия излучения эксимерного лазера) отсутствует резонансное поглощение атомами алюминия. Из полученных результатов следует, что основной причиной появления в плазме возбужденных атомов при воздействии на алюминиевую мишень излучения ХеС1-лазера при близких к пороговым интенсивностях является резонансное поглощение и ионизация с последующей столкновительной рекомбинацией.

В разделе 4.5 проведена оценка влияния экранировки плазмы и аберраций фокусирующей системы на разрушение металла под действием излучения ХеС1-лазера и показаны возможности формирования отверстий микронных размеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения исследований по управлению выходными характеристиками электроразрядного ХеС1- лазера, преобразованию его излучения с помощью ВКР в сжатом водороде и воздействию этого излучения на вещество получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что использование в качестве внутрирезонаторного селектора тлеющего разряда с полым катодом из алюминия, по сравнению с открытым импульсным разрядом, для привязки частоты излучения ХеС1- лазера к частоте электронного перехода атома резонансным фазово- поляризационным методом позволяет в три раза уменьшить ширину линии генерации, обеспечить частотно-периодический режим и повысить стабильность работы лазера. Применение данного метода позволяет осуществить сужение спектра генерации частотно-периодического эксимерного ХеС1 -лазера с 0,85 до 0,003 нм и обеспечить стабилизацию длины волны в пределах доплеровского контура спектральной линии атома, которая при других способах стабилизации длины волны генерации требует специальных устройств для погашения механических и температурных возмущений [4,9,14,20].

2. Показано, что для уменьшения расходимости излучения ХеС1- лазера с малым временем существования инверсной населенности перспективно использование самофильтрующего конфокального неустойчивого резонатора. Впервые экспериментально доказана возможность формирования диаграммы направленности, близкой к дифракционному пределу, в ХеС1-лазере с самофильтрующим конфокальным неустойчивым резонатором с коэффициентом увеличения > 2 не более чем за два обхода излучением резонатора. При этом пучок излучения имеет круговую симметрию, гладкое, близкое к гауссовому поперечное распределение интенсивности и расходимость меньше 100 мкрад [1,3,8,18,19].

3. Выяснено взаимовлияние оптического пробоя и попутного ВКР в сжатом водороде и предложены способы управления эффективностью этих процессов. Установлено, что развитие оптического пробоя вызывает заселение верхних состояний молекул комбинационно-активной среды и развитие ВКР с их участием. В условиях оптического пробоя снижается эффективность ВКР в стоксовы компоненты с основного колебательного состояния молекул. Впервые показано, что на начальной стадии развития оптического пробоя в сжатом водороде при ВКР- преобразовании на колебательных и вращательных переходах молекул интенсивного частично деполяризованного излучения ХеС1- лазера генерируется большое число (около 30) спектральных компонент, расположенных в диапазоне от 245 до 631 нм [5,10,13,21,23].

4. Установлено примерно двукратное снижение порога плазмообразова-ния при резонансном воздействии лазерного излучения на алюминий. Влияние резонансного характера воздействующего излучения ХеС1-лазера на образование ионов у поверхности алюминиевой мишени приводит к дополнительному увеличению их концентрации и проявляется в ограниченном диапазоне плотности мощности [2,11,15,22,27].

5. Выявлены и проанализированы различия процессов плазмообразова-ния у поверхности металла при воздействии лазерного излучения с различными длинами волн в диапазоне от 1064 нм до 308 нм. Показано, что основная причина увеличения заселенности возбужденных уровней эмитируемых атомов при воздействии излучения ХеС1- лазера обусловлена процессами резонансного поглощения в эрозионной плазме и ионизации с последующей столкнови-тельной рекомбинацией. Установлено, что при воздействии на поверхность алюминия излучения ХеС1- лазера по сравнению с АИГ Ыс1+3 - лазером порог плазмообразования ниже примерно в 7 раз, ширина спектральных линий эмитируемых атомов меньше, а заселенности их возбужденных уровней выше. [6,7,12,16,24,28].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Электроразрядный ХеС1-лазер для спектроскопических исследований / П.А. Апанасевич, B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, Ю.Э. Камач, E.H. Козловский, Г.Г. Кот, М.И. Неделько, В.А. Орлович // ЖПС. - 1989. - Т.51, №3. - С.449-455.

2. Пороги образования и кинетика приповерхностной плазмы при воздействии излучения ХеС1-лазера на поглощающие материалы / Л.Я. Минько, А.Н. Чумаков, В.В. Ефремов, B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько // ЖПС. -1989. - Т.51, №5.- С. 746-752.

3. Бураков B.C., Бохонов А.Ф., Неделько М.И. Компактный электроразрядный ХеС1-лазер // ЖПС. - 1994. -Т.61, №3-4. - С.297-301.

4. Бураков B.C., Бохонов А.Ф., Неделько М.И. Узкополосный ХеСЬлазер со стабилизированной длиной волны излучения // ЖПС. - 1994. - Т.60, №5-6. -С.535-540.

5. Исследование и оптимизация генерационных характеристик системы - экси-мерный ХеС1-лазер - ВКР-преобразователь на сжатом водороде / B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, A.C. Грабчиков, М.И. Неделько, В.А. Орлович // ЖПС. -1998. - Т.65, №1. - С.67-74.

6. Спектрально-временные характеристики лазерной плазмы комбинированной мишени/B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, П.А. Науменков, М.И. Неделько, Н.В. Тарасенко // ЖПС. - 1998. - Т.65, №3. - С.426-432.

7. Near-threshold laser-induced sputtering of aluminum surface by UV and 1R irradiation / V.S. Burakov, A.F. Bokhonov, M.I. Nedel'ko, N.V. Tarasenko // Appl.Surface Science. - 1999. - Vol. 138-139. - P.350-353.

8. ХеС1-лазер с самофильтрующим конфокальным неустойчивым резонатором / П.А. Апанасевич, B.C. Бураков, Г.Г. Кот, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько, В.А. Орлович - Минск, 1989 - 15с. - (Препринт / ИФ АН БССР;№542).

9. Внутрирезонаторная абсорбционная спектроскопия молекул ОН в активной среде ХеС1-лазера / B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько, С.Н. Райков // Физика и техника плазмы: Материалы конференции, Минск, 1994.- Т.1 -С.323-326.

10.Взаимосвязь пространствешго-мощностных характеристик излучения ХеС1-лазера и ВКР-преобразователя на сжатом водороде / B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, A.C. Грабчиков, М.И. Неделько, В.А. Орлович // Лазерная физика и спектроскопия: Труды Ш конференции в г.Гродно, Минск, 1997. - Т.2. - С.19-22.

11.Состав продуктов и механизмы лазерного!распыления алюминия / B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько, Н.В. Тарасенко // Труды Ш конференции в г.Гродно "Лазерная физика и спектроскопия" под редакцией A.A. Афанасьева, Минск, 1997.- Т.1. - С.380-383.

12.Взаимодействие излучения эксимерного XeCl-лазера с лазерно-обляционной плазмой алюминиевой мишени / B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько,

H.B. Тарасенко // Материалы конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-98, Петрозаводск, 1998. - 4.2. - С.628-631.

13.Диагностический комплекс на основе эксимерного лазера с нелинейньм преобразователем частоты излучения / А.Ф. Бохонов, B.C. Бураков, М.И. Не-делько, Н.В. Тарасенко // Конверсия научных исследований в Беларуси в рамках деятельности МНТЦ.: Материалы международного семинара. -Минск, 1999. - 42. - С. 236-239.

14.Бохонов А.Ф., Неделько М.И. Спектральные характеристики эксимерного ХеС1- лазера с плазменной ячейкой в резонаторе // Лазеры и оптическая нелинейность.: Труды ХШ Белорусско-литовского семинара. - Минск,1999. -С.21-24.

15.Ефремов В.В., Неделько М.И. Исследование образования плазмы при воздействии излучения УФ-лазера на материалы // Тезисы докладов 8 Республиканской конференции молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике. - Паланга, 25-28 мая, 1987г.- С.7.

16.Исследование особенностей эрозионного плазмообразования при воздействии излучения эксимерного лазера на поглощающие материалы / Л .Я. Минь-ко, А.Н. Чумаков, В.В. Ефремов, B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько // В сб. "Тезисы докладов УП Всесоюзн.конференции по взаимодействию излучения с веществом," Ленинград, 1988. - С.208.

17. Диагностика плазменных образований с применением лазеров различных типов / B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, П.А. Науменков, М.И. Неделько, С.Н. Райков // Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом.: Тезисы докладов 3-ей Всесоюзной конференции - Москва, 1988. -С.28-29.

18.Электроразрядный эксимерный ХеС1-лазер с конфокальным самофильтрующим неустойчивым резонатором / П.А. Апанасевич, B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, Г.Г. Кот, М.И. Неделько, В.А. Орлович // Оптика лазеров : Тезисы докладов VI Всесоюзн.конференции, Ленинград, 1990. - С.111.

19.Control of the excimer laser radiation parameters by various unstable resonators / P.A. Apanasevich, B.S. Burakov, A.F. Bokhonov, G.G. Kotaev, M.I. Nedel'ko, V.A. Orlovich // "Technical Digest" "European Quantum Electronics Conference, Edinburgh, (PLTuP29), 1991. - P.66.

20.Бураков B.C., Бохонов А.Ф., Неделько М.И. Узкополосный ХеС1-лазер со стабилизированной длиной волны // Оптика лазеров 93 : Тезисы докладов Международной конференции, С-Петербург, 1993.- Т.1.- С. 191.

21. Особенности ВКР в сжатом водороде при возбуждении сфокусированным излучением ХеС1-лазера с малой расходимостью в условиях оптического пробоя /,П.А. Апанасевич, А.Ф. Бохонов, A.C. Грабчиков, М.И. Неделько, В.А. Орлович // Лазерная физика и спектроскопия: Тезисы докладов П Международной конференции, Гродно, 1995. - С.35-36.

22. Особенности проявления резонансных эффектов плазмообразования при облучении металлических мишеней излучением ХеС1-лазера / B.C. Бураков,

A.Ф. Бохонов, М.И. Неделько, Н.В. Тарасенко // Материалы конференции "Физика низкотемпературной плазмы." Петрозаводск, 1995. - Ч.З.- С.325-327.

23.Электроразрядная эксимерная лазерная система с ВКР-преобразователем /

B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько, В.А. Орлович // Научное и аналитическое приборостроение: Тезисы докладов Республиканской конференции, Минск, 1995. - С.35-36.

24.Диагностика продутов абляции алюминия под действием излучения экси-мерного ХеС1-лазера / B.C. Бураков, А.Ф. Бохонов, М.И. Неделько, Н.В. Тарасенко // Лазерная физика и спектроскопия: Тезисы докладов П Международной конференции, Гродно, 1995. - С.243-244.

25.Emission spectroscopy during excimer laser ablation of the graphite and polyimide targets / A.F. Bokhonov, M.I. Nedel'ko, N.A. Savastenko, N.V. Tarasenko // Proc. "Abstracts European Group for Atomic Spectroscopy", 29EGAS, Berlin, 1997. -P.39-40.

26.Бураков B.C., Бохонов А.Ф., Неделько М.И. Эксимерный лазер с малой расходимостью пучка для прецизионной обработки материалов // Взаимодействие излучений с твердым телом: Тезисы П Международной конференции, Минск, 1997.-С. 167.

27.Resonant interaction of excimer XeCl-laser radiation with laser ablated aluminum plume / V.S. Burakov, A.F. Bokhonov, M.I. Nedel'ko, N.V. Tarasenko // "Europhysics conference abstracts. (Ргос.ЕСАМР)б4 EPS conference on atomic and molecular Physics" Siena, Italy, 1998. - V.22D. P.5-7.

28.Near-threshold Laser-induced sputtering of aluminum surface by UV and IR irradiation / V.S. Burakov, A.F. Bokhonov, M.I. Nedel'ko, N.V. Tarasenko // Proc. "European Materials Research Society Spring Meeting" (E-MRS'98), Strasbourg, France, June 16-19, 1998. - P.G-26.

29.Laser ablation plasma deposition of cluster-assembled carbon powders / V.S. Burakov, V.L. Kasyutich, A.F. Bokhonov, M.I. Nedel'ko, N.A. Savastenko, N.V. Tarasenko // Proc. "European Materials Research Society Spring Meeting" (E-MRS'98), Strasbourg, France, June 16-19, 1998. - P. K-13.

20

РЭЗЮМЭ

Нядзелька М1хаш 1ванав1ч

К1РАВАННЕ ХАРАКТАРЫСТЫКАМ1ВЫПРАМЕНЬВАННЯI ВЫКАРЫСТАННЕ ХеС1 ЛАЗЕРАУI ВКР ПЕРАУТВАРАЛЫПКАУ

Ключавыя словы: ХеС1- лазер, выпраменьванне, шраванне выхадным! характарысты кам!, ВКР- пераутварэнне, стоксавая кампанента, плазма.

Разв1ты метады юравання прасторавым!, спектральным!, энэргетычным11 часовым! характарыстыкам1 экамернага электраразраднага ХеС1- лазера з малым часам юнавання шверснай населенасщ. Праведзена аптьашацыя выхадных характарыстык выпраменьвання экс1мерных лазерау 1 лазернай сктэмы, сасгауленай з задаючага генератара I узмацняльшка. Паказана, што выкарыстанне фазава-палярызацыйнага метада звужэння 1 стабшзацьн даужын! хвал1 I самафшьтруючага канфакальнага тустоптвага рэзанатара дазваляе эфектыуна зменшыць шырыню спектра генерацьи, а разыходнасць выпраменьвання прыбл1зщь да дыфракцыйнай мяжы.

Даследаваны энергетычныя характарыстьш узбуджаемага выпраменьваннем ХеС1 -лазера аднапраходавага ВКР-лазера на сщснугым вадародзе. Установлена ¡снаванне аптымальных значэнняу энэргп ¡мпульсау 1 разыходнасщ лазернага выпраменьвання, забяспечываючых макамальную эфектыунасць ВКР- пераутварэння у розныя стоксавыя кампаненты. Знойдзены спосабы юравання выхадным1 характарыстыкам1 выпраменьвання сютэмы ХеС1- лазер - ВКР- пераутваральшк, наираваным1 на атрыманне двухчастотнай генерацьи 1 падауленне пераутварэння у вышэйшыя стоксавыя кампаненты. Паказана магчымасць юравання працэсам канкурэнцьи аптычнага прабоя 1 ВКР, а таксама расшырэння дыяпазона частот пераутворанага выпраменьвання У вышку вярчальна-хютальных пераходау пам1Ж узбуджаным1 узроуням!.

Праведзена дыягностыка эразшнай плазмы, атрыманай пры уздзеянш на .шшэнь выпраменьвання ХеС1-лазера 1 сютэмы ХеС1-лазер - ВКР-пераутваральшк. Вызначаны канцентрацьп электронау 1 атамау 1 ¡х змяненне з часам у плазме. Паказана дамшруючая роль рэзананснага паглынання у засяленш верхшх узроуняу атамау эразшнага факела пры штенаунасцях, бл1зюх да парогавых. Установлены грашцы шчыльнасщ магутнасщ уздзеючага выпраменьвання, пры ямх рэзанансны характар уздзеяння уплывае на канцентрацыю ¡онау каля паверхш алюмшевай М1шэш.

21

РЕЗЮМЕ

Неделько Михаил Иванович

УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ХеС1 ЛАЗЕРОВ И ВКР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Ключевые слова: ХеС1- лазер, излучение, управление выходными характеристиками, ВКР- преобразование, стоксовая компонента, плазма.

Развиты методы управления пространственными, спектральными, энергетическими и временными характеристиками эксимерного электроразрядного ХеС1 -лазера с малым временем существования инверсной населенности. Проведена оптимизация выходных характеристик излучения эксимерных лазеров и лазерной системы, состоящей из задающего генератора и усилителя. Показано, что использование фазово-поляризационного метода сужения и стабилизации длины волны линии генерации и самофильтрующего конфокального неустойчивого резонатора позволяют эффективно уменьшить ширину спектра генерации, а расходимость излучения приблизить к дифракционному пределу.

Исследованы энергетические характеристики возбуждаемого излучением ХеС1- лазера однопроходового ВКР- лазера на сжатом водороде. Установлено существование оптимальных значений энергии импульсов и расходимости лазерного излучения, обеспечивающих максимальную эффективность ВКР- преобразования в различные стоксовые компоненты. Найдены способы управления выходными характеристиками излучения системы ХеС1-лазер - ВКР-преобразователь, направленные на получение двухчастотиой генерации и подавление преобразования в высшие стоксовые компоненты. Показана возможность управления процессом конкуренции оптического пробоя и ВКР, а также расширения диапазона частот преобразованного излучения за счет вращатель-но- колебательных переходов между возбужденными уровнями.

Проведена диагностика эрозионной плазмы, образующейся при воздействии на мишень излучения ХеС1 -лазера и системы ХеС1-лазер - ВКР-преобразователь. Определены концентрации электронов и атомов и их изменение со временем в плазме. Показана доминирующая роль резонансного поглощения в заселении верхних уровней атомов эрозионного факела при интенсив-ностях, близких к пороговым. Установлены границы плотности мощности воздействующего излучения, при которых резонансный характер воздействия оказывает влияние на концентрацию ионов вблизи поверхности алюминиевой мишени.

22

SUMMARY

Nedel'ko Mikhail Ivanovich

CHARACTERISTICS CONTROL AND APPLICATION OF THE XEC1 LASER AND RAMAN CONVERTER RADIATION

Key words: XeCl laser, radiation, control of output characteristics, Raman conversion, Stokes component, plasma.

The methods for the control of the spatial, spectral, power and temporal characteristics of excimer electrodischarge XeCl laser with a short-time population inversion were developed. The output characteristics optimization of excimer laser radiation as well as laser system consisting of an oscillator and an amplifier was carried out. Effective reduction of divergence and spectrum-width of the output radiation was achieved by the use of self-filtering confocal unstable resonator and the phase-polarized method for narrowing and stabilization of the laser wavelength. The divergence of the radiation was brought to the diffraction limit.

Power characteristics of single-pass Raman converter on compressed hydrogen pumped by the XeCl laser radiation were investigated. It was found that there was optimum magnitude of the pulse energy and divergence for reaching maximum Raman conversion efficiency to different Stokes components. The methods for controlling the output characteristics of the system consisting of the XeCl laser with Raman converter for the two-frequency generation and the conversion suppression in higher Stokes components were developed. The possibility of controlling the competition between optical breakdown and Raman conversion, as well as of the frequency range expansion of converted radiation by means of rotational-vibrational transitions between the excited levels were shown.

The diagnostics of erosive plasma formed by the action of the XeCl laser radiation with and without Raman converter on a target were carried out. The concentrations of electrons and atoms and their temporal changes in plasma were determined. The dominant role of resonant absorption in the population of the upper atom levels of erosive plume under near-to-threshold intensities was shown. The range of radiation intensities was determined under which the resonant radiation influences on the ion concentration near the surface of aluminium target.

НЕДЕЛЬКО Михаил Иванович

УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ХеС1- ЛАЗЕРОВ И ВКР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Отпечатано с оригинал-макета Заказчика на УП «Технопринт» Лицензия ЛП № 203 Заказ 0200 Тираж 100шт. Усл. печ. л. 1,3. Формат 60 х 84/16 пр. Ф. Скорины, 65, корп. 14, комн. 209. Тел. 239-91-57