Эксимерные лазеры

Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов - смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов - их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона

и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0,1 - 1 МПа.

1.1.1 Лазеры на галогенидах инертных газов

Рассмотрим наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена, что приводит к образованию эксиплекса галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров можно указать ArF (λ = 193 нм), KrF (λ = 248 нм), XeCl (λ = 309 нм), XeF (λ = 351 нм), которые генерируют все в УФ диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится ясным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер: в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда.

В лазерах на галогенидах инертных газов существенное влияние на состояние плазмы оказывают процессы фотопоглощения. К ним относится фотодиссоциация исходного галогена, из которого образуется галогенид инертного газа F2 + hν → 2F; фотораспад образованного в плазме отрицательного иона F - + hν → F + e-; фотоионизация возбужденных атомов и молекул инертного газа Ar* + hν → Ar+ + e-; фотодиссоциация димеров ионов инертного газа Ar2+ + hν → Ar+ + Ar. А также поглощение самими молекулами галогенидов инертных газов.

Фотопоглощение в активной среде лазеров на галогенидах инертных газов можно разделить на линейчатое и широкополосное. Линейчатое поглощение возникает на связанно-связанных переходах, присутствующих в лазерной смеси примесей атомарных и молекулярных газов, а также свободных атомов и радикалов, образующихся под действием разряда либо при разложении примесных молекул, либо за счет эрозии электронов. Показано, что линейчатое поглощение в некоторых случаях может довольно существенно искажать спектр генерации, однако, как правило, не приводит к заметному снижению ее энергии. Широкополосное поглощение обусловлено, главным образом, связанно-свободными переходами, происходящими в процессах типа фотодиссоциации, фотоотлипания и фотоионизации.

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом.

Эффективная накачка эксимерных лазеров, т.е. создание разряда оптимального с точки зрения вклада энергии в активную среду, еще не гарантирует получения высоких генерационных характеристик лазера. Не менее важно организовать извлечение из активной среды запасенной в ней световой энергии.

Это приобретает особое значение для лазеров на галогенидах инертных газов, так как их существенным отличием от большинства типов газовых лазеров оказывается наличие ненасыщающегося (линейного) фотопоглощения в активной среде. Потери на фотопоглощение, даже при отсутствии данных по измеренному поглощению слабого сигнала , могут быть оценены следующим образом.

При измеренных для данного эксимерного лазера коэффициенте усиления слабого сигнала и интенсивности насыщения рабочего перехода предельная, в пренебрежении всеми потерями, интенсивность, снимаемая с единицы апертуры активной среды, составит . Сравнение с экспериментально измеряемой интенсивностью на выходе позволяет оценить долю энергии, теряемую на фотопоглощение. Такое сравнение правомерно при невысоких сосредоточенных потерях, т.е. потерях на оптических окнах и зеркалах, что обычно имеет место.

1.1.2 Лазеры на окислах инертных газов

Лазеры на окислах инертных газов могут быть использованы при необходимости получения импульсов с длительностью порядка наносекунды и меньше и энергией несколько килоджоулей. Это связано с тем, что сечение вынужденного излучения генерирующего перехода в таких системах удовлетворяет необходимым требованиям. С одной стороны оно должно быть достаточно малым, чтобы паразитные потери не истощали инверсию населенностей, и в то же время для эффективного извлечения запасенной энергии это сечение должно быть достаточно большим, чтобы насыщение происходило при величинах потока, не достигающих порога разрушения оптических материалов. Учитывая все эти требования, можно заключить, что сечение вынужденного излучения должно быть около см2.

Во всех эксимерных системах типа "инертный газ + элемент VI группы", за исключением случая XeO, переходы являются в основном свободно-свободными лишь с небольшим вкладом связанно-свободных эксимерных переходов.

В случае XeO характер взаимодействия следующий. Благодаря эффектам перекрывания взаимодействие между атомами с заполненной и незаполненной оболочками является главным образом отталкивательным. Силы притяжения возникают по двум причинам: во-первых, за счет дисперсионного и электростатического взаимодействия и, во-вторых, за счет переноса заряда, возникающего вследствие взаимодействия ионных и ковалентных конфигураций. Роль переноса заряда возрастает, если потенциал ионизации инертного газа уменьшается.

Излучательные переходы между синглетными валентными состояниями происходят исключительно вследствие столкновений. Взаимодействие с переносом заряда является преобладающим в переходах на более коротких расстояниях между атомами. С увеличением межатомных расстояний более важную роль начинают играть силы электростатического взаимодействия.

Что касается методов накачки, то кислород (или другие доноры элементов VI группы) в смеси с инертными газами целесообразно подвергнуть действию электронного пучка, чтобы воспользоваться передачей энергии за счет столкновений.

1.1.3 Лазеры на эксимерных молекулах чистых инертных газов

Обычно эксимерные лазеры на инертных газах работают при относительно высоких давлениях (более двух атмосфер), а источником возбуждения являются пучки электронов сравнительно высокой энергии и плотности (~1 МэВ, сотни А·см-2). При таких условиях концентрация электронов в образующейся плазме довольно высока (более 1014 см-3).

Механизм селективной накачки эксимерных уровней можно упрощенно рассматривать как последовательность столкновений с обменом энергией. Электроны высокой энергии ионизируют или возбуждают основной газ в результате реакций типа e - + Ar → Ar+ + 2e-; e - + Ar → Ar* + e. Все примеры, приводимые для аргона, справедливы также для ксенона и криптона. В зависимости от используемого газа вторичные электроны имеют среднюю энергию в диапазоне 5 - 7 эВ.

 Скачать реферат