Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. I. ДАННЫЕ О ВОЗБУЖДЕНИИ И РЕІАКСАЦЙИ СОСТОЯНИЙ
НЕЙТРАЛЬНОГО КСЕНОНА - Хе I . ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Релаксация возбужденных состояний Хе І в разряде ксенона и ее влияние на параметры газоразрядной плазмы. Основные типы процессов в разряде ксенона при давлениях 1*10 Па 13
1.2. Влияние буферного газа Не на электронную температуру и плотность в лазере на переходах Xel ..... . 17
1.3. Радиационные времена жизни, столкновительные сечения и сечения возбуждения лазерных уровней X е I 20
ГЛАВА 2. ПРИРОДА СВЕРХИЗЛУЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ЛИНИЙ СПЕКТРАЛЬНОГО МУЛЬТИПЛЕТА 5(Л- бр Хе I В ПРИСУТСТВИИ БУФЕРНОГО ГАЗА Н е
2.1. Изотопический эффект 30
2.2. Обнаружение канала мультиплетного перемешивания между уровнями 5d[3/2Ji и 5с/17/2Г , инициируемого гелием 36
2.3. Интерпретация экспериментальных результатов и теоретические оценки 45
2.4. Влияние канала мультиплетного перемешивания на коэффициент усиления и выходную мощность. Модельный расчет и эксперимент 52
ГЛАВА 3. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРОВ НА НЕКОТОРЫХ СИЛЬНЫХ ПЕРЕХОДАХ X Є I
3.1. Основы теории газовых лазеров в слабом магнитном поле 71
3.2. Бистабилыюсть и поляризационные режимы генерации Не-Хе лазера на переходе 5с|[3/2]
6р[3/2] изотопа Хе в слабом магнитном поле 82
3.3. Поляризационные режимы генерации лазера на переходе 5 d 17/2]ъ - 6 р[5/2] 1 изотопа 156 X е в слабом магнитном поле в присутствии буферного газа Не 109
ВЫВОДЫ 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
ЛИТЕРАТУРА 138
- Релаксация возбужденных состояний Хе І в разряде ксенона и ее влияние на параметры газоразрядной плазмы. Основные типы процессов в разряде ксенона при давлениях 1*10 Па
- Изотопический эффект
- Основы теории газовых лазеров в слабом магнитном поле
Введение к работе
Цель работы. Как известно [15,24,51], элементарные процессы столкновений атомных частиц определяют условия работы газовых лазеров и многих газоразрядных источников излучения. Этими процессами обусловлены оптимальные параметры таких систем.
Ряд линий Xel мультиплета 5d-6p имеют аномально высокие коэффициенты усиления слабого сигнала &} 0,1 см""* в присутствии буферного газа Не даже при умеренных скоростях накачки в условиях тлеющего разряда, т.е. являются сверхизлуча-тельными [2,41,56,74,105]. Однако в настоящее время не существует полного понимания элементарных процессов, ответственных за создание столь высоких коэффициентов усиления на этих переходах в Не-Хе смеси.
Понимание причин, приводящих к сверхизлучению в Не-Хе смеси, важно не только с научной, но и с практической точки зрения. Знание физических процессов и возможность управлять ими необходимы при проектировании и разработке лазерных усилителей в ИК области спектра. Лучшие образцы фотоприемных устройств для ИК-диапазона имеют низкую чувствительность по сравнению с чувствительностью приемников в видимом диапазоне [7,9], что резко ограничивает область их возможных применений. Вместе с тем, большие коэффициенты усиления [2,56,105] и хорошие шумовые характеристики Не-Хе среды [92] позволяют значительно поднять удельную монохроматическую обнаружитель-ную способность (в 10^ раз) [37], что открывает возможности построения принципиально новых оптических устройств [45].
Характерные изменения параметров электронного газа: температуры и плотности, при добавлении буферного газа гелия [46, 60] не могут объяснить причин увеличения числа лазерных линий мультшшета 5d-6p ХеI и значительного роста коэффициента усиления и мощности генерации.
Появившиеся многочисленные спектроскопические данные1' для линий мультиплета 5d-6pXeI [69,122,125] указывают на необходимость учета неупругих столкновительных каналов, хотя прямые данные о таких каналах для Хе в литературе отсзггствуют.
В обзоре [23] отмечалось, что некоторые поляризационные закономерности многомодового лазера с брюстеровскими окнами, работающего на переходе 5d[3/2]1 - 6p[3/2]i , не находят объяснения. Впоследствии появилась работа [78], в которой исследовался одночастотный поляризационный режим лазера на перехо-о де 5 113/21 ~ 6 р [ 3/2 ] 0 . Она не внесла заметной ясности в рассматриваемый вопрос, а только подтвердила, что интерпретация экспериментальных данных в Не-Хе смеси намного труднее чем в He-Ne смеси.
Известно [3,23], что поляризация лазерного излучения очень чувствительна к столкновительным процессам. Детальное исследование режимов генерации дает возможность получить информацию о столкновительных процессах, так как одночастотный лазер поддается наиболее полному теоретическому описанию и сопоставлению выводов теории с экспериментальными результатами. К сожалению, сведения о поляризационных режимах Не-Хе лазера весьма малочисленны [78,104] и частично невоспроизводимы. *' Более подробные сведения в I главе (обзор литературы).
Чтобы получить информацию о столкновительных процессах из анализа поляризационных режимов, необходимо в первую очередь экспериментально определить причины шума в поляризации и возможности его устранения.
Вопросы воспроизводимости и характерного поведения в поляризации важны при решении прикладных задач, например, стабилизации частоты лазеров. В последнее время сделаны успешные попытки стабилизации частоты Не-Хе лазера с \= 3,51 мкм в магнитном поле с использованием формальдегида - Н2С0 в качестве поглотителя [103]. Использование Не-Хе/Н2С0 - лазера в прецизионных экспериментах или в качестве единого эталона длины и времени, аналогичного He-Ne/C Н^ - лазеру, требует дальнейшего, более детального изучения процессов в Не-Хе среде и режимов генерации этого лазера.
Целью настоящей диссертационной работы являлось: определение основных столкновительных каналов и физических факторов, приводящих к аномально высоким коэффициентам усиления в бинарной Не-Хе смеси на сильных лазерных переходах 5d-6pXeI , исследование поляризационных режимов генерации, перестроечных кривых и коэффициентов усиления на этих переходах Xel и влияние на указанные характеристики буферного газа Не.
Содержание "работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, а также из выводов, заключения и списка литературы. Объем диссертации 152 с, в том числе: 3 таблицы, 37 иллюстраций, 129 библиографических названий.
Первая глава посвящена обзору литературы о релаксации возбужденных состояний ХеІ в разряде ксенона и ее влиянии на параметры газоразрядной плазмы, влиянии буферного газа гелия на температуру и плотность электронов в Не-Хе лазере на переходах 5d-6pXeI .На основе литературных данных определены типы процессов в разряде ксенона, непосредственно влиявдих на инверсную населенность. Выявлены типы столкновительных процессов, участвущих в размножении электронов и определяющих электронную температуру в газе и, тем самым, косвенным образом влияющих на населенность верхних уровней 5d Хе I , связанных разрешенным переходом с основным состоянием S0 Хе .
В этой главе приведены сведения о сечениях возбуждения, разного рода столкновительных сечениях и радиационных временах жизни. Показано, что аномалии в спектроскопических данных указывают на существование процессов нерезонансной передачи возбуждения внутри группы уровней 5 d X е I .
Во второй главе исследована природа сверхизлучения некоторых линий спектрального мультиплета 5d-6pXeI в присутствии буферного газа Н е. Впервые экспериментально обнаружен один из неупругих каналов мультиплетного перемешивания между уровнями БсІЕЗ/2^ (а) и 5d[7/2J3 (в), инициируемый гелием. Экспериментально и теоретически оценен вклад в обратные процессы (переброс снизу вверх -в -*> а) за счет столкновений с гелием (- 4%) и электронами Ц 0,4$) при одних и тех же условиях эксперимента. Оценена эффективная температура "хвоста" функции распределения гелиевой подсистемы, непосредственно принимающей участие в процессе переброса снизу вверх. Предложена теоретическая интерпретация неадиабатичности столкновений за счет квазипересечения термов квазимолекулы Xe5d-He. Обнаруженные процессы мультиплетного перемешивания являются разновидностью процессов тушения и протекают с большой эффективностью. Исследован изотопический эффект в проявлении на коэффициенте усиления. Показано, что коэффициент усиления на переходе с Х= 3,51 мкм для смеси с Не больше чем с Не при прочих одинаковых условиях.
В рамках упрощенной модели, учитывающей неупругий канал, рассчитан коэффициент усиления слабого сигнала и параметр насыщения. Проанализировано влияние обнаруженного столкнови-тельного канала на коэффициент усиления и выходную мощность лазера.
Показано, что подключение столкновительного канала при добавлении гелия особенно сильно сказывается на коэффициенте усиления для тех переходов, верхние уровни которых не связаны с основным состоянием разрешенным переходом. Населенность уровней 5 с| [ 3/211 и 5dt1/2]i , заселяющихся с основного состояния, и коэффициент усиления переходов, начинающихся с этих уровней, определяется, главным образом, плотностью и температурой электронов. На переходах с верхними уровнями 5dlb/2]i и 5d[1/2]1 влияние канала мультиплетного перемешивания проявляется в виде повышения мощности генерации,так как она определяется населенностью всех эффективно взаимодействующих уровней и увеличивающейся однородностью контура линии усиления из-за эффектов отдачи в процессах мультиплетного перемешивания. Проанализировано влияние мультиплетного перемешивания на размножение электронов.
В третьей главе экспериментально и теоретически проанализировано влияние канала мультиплетного перемешивания на поляризационные режимы генерации одночастотного лазера с почти изотропным резонатором в слабом магнитном поле на двух переходах 5d-6p Xel: 5dD/2]- 6?[Щ( Я= 2,026 мкм) и 5d[7/Z]l' 6р[5/2]2 ( X = 3,51 мкм), имеющих различную зеемановскую структуру. Показано, что подключение этого канала качественным образом меняет поляризационные режимы генерации в узкой области давлений буферного газа и может служить для дополнительной идентификации неупругого канала.
Тип поляризационного режима зависит от структуры рабочего перехода, магнитного поля, характера столкновений и других причин. Для переходов 3=1++3 = 0 и J = 1-OH без учета реальных факторов таких, как пленение резонансного излучения,столкновения и т.д., имеет место положение безразличного равновесия. В действительности, однако, указанные факторы приводят обычно к релшму типичному для сильной связи. Это наиболее чувствительные к характеру столкновений переходы, на которых качественным образом может меняться поляризационный режим при незначительных изменениях параметров системы.
Экспериментально установлено, что качественное соответствие между экспериментом и теорией имеется только в области давлений гелия, где существенную роль играет мультиплетное перемешивание. Для перехода с Я = 2,026 мкм (J = 1 -* J = 1) обнаружена поляризационная бистабильность и определены критические параметры (давление, магнитное поле), при которых она появляется. Теоретически определены условия возникновения би-стабильности и показано на примере двух предельных случаев, что они не зависят от типа уширения перехода. Установлено, что существование критического давления Рк связано со сменой знака равности Р1 - Г2 констант распада ориентации ГН) и - 10 -выстраивания Гй) , а критического магнитного поля Нк - с проявлением эффекта Ханле в поляризационных режимах генерации на сильносвязанном типе переходов в области давлений, где Г(1) > Га) . При критическом магнитном поле происходит разрушение когерентной связи, наведенной столкновениями.Определена зависимость Нк от давления буферного газа.
Обнаружено отсутствие лэмбовского провала в перестроечных кривых для полной интенсивности на переходе с Х= 2,026 мкм при давлениях 1*10 Па в разряде ксенона. Для другого перехода с X = 3,51 мкм, находящегося в сходных условиях, но не связанного с основным состоянием, наблюдается асимметричный лэм-бовский провал.
Отсутствие лэмбовского провала доказывает важность процессов пленения на переходе с 1= 2,026 мкм даже при таких низких давлениях ксенона. Однако, если только пленение определяет поляризационный режим, то с неизбежностью следует, что ри> у р(і) и бистабильный режим обязан существовать при всех давлениях буферного газа. Это указывает на наличие физического фактора, компенсирующего влияние пленения на ориентацию и выстраивание. При давлениях ксенона I * 10 Па таковым может быть только взаимодействие возбужденного Xel с электронами. Неравенство Гн> < VU) и факт существования критического давления при некоторых предположениях об отношении сечений для ориентации и выстраивания позволяет оценить сечение упругого рассеяния электрона на возбужденном состоянии 5 d CV2]1 Xel.
Для перехода с X = 3,51 мкм Р =3-0 = 2.) в разряде ксенона при низких давлениях І4-І0 Па впервые обнаружен режим генерации с почти полной деполяризацией лазерного излучения. Про- - II - анализированы некоторые возможные причины такой деполяризации.
Подключение канала мультиплетного перемешивания меняет кинетику заселения уровня и характер взаимодей- ствия с партнером. При давлениях гелия Р > Рк = 65 Па имеется соответствие экспериментально наблюдаемого режима с предсказаниями теории. В окрестностях нулевого магнитного поля реализуется режим с линейной поляризацией с привязкой к оси наибольшей добротности. В магнитных полях Н 0,03 Э возникают биения между Ъ и Ъ~ - поляризациями. При магнитных полях Н2^ ю э биения исчезают. Показано, что существование магнитного поля Н2 связано с проявлением эффекта Ханле на слабосвязанном типе переходов. Биения между Ь и Ъ~ - поляризациями наблюдаются только в магнитных полях, при которых еще не полностью разрушена когерентность.
В слабых магнитных полях Н ^ 1*10 Э основную роль в определении поляризации лазера с изотропным резонатором играют эффекты зеемановской когерентности. В магнитных полях Н >г 100 Э, при которых разрушена когерентная связь, поляризационные режимы подобны для двух переходов, так как зееманов-ская структура и слабая анизотропия зеркал не существенна.
Из анализа поляризационных режимов генерации следует, что характер взаимодействия возбужденного ксенона с основным партнером (электроном или гелием) и кинетика заселения верхних уровней 5cJ Xel в разряде ксенона при давлении 1*10 Па и в разряде ксенона с добавлением гелия существенно различны.
Таким образом, полученные в диссертационной работе результаты и имеющиеся сведения в литературе о системе Не-Хе указывают, что мультиплетное перемешивание относится к классу основных процессов, определяющих инверсную населенность рабочих уровней нейтрального ксенона для мультиплета 5 d - 6р.
Основные положения диссертации, которые выносятся на защиту: в Не-Хе смеси существует эффективный неупрутий канал столкновений - мультиплетное перемешивание внутри группы уровней 5cf , которое приводит к увеличению числа лазерных линий мультиплета 5с|-6р Xel и росту коэффициента усиления для большинства линий данного мультиплета при добавлении буферного газа гелия. предложенную в диссертации методику можно использовать для оценки вкладов в переброс между уровнями мультиплета за счет столкновений с буферным газом и электронами. в областях по давлению буферного газа гелия, где существенно мультиплетное перемешивание, в слабых магнитных полях (1*10 Э) основную роль в определении поляризации лазера с "изотропным" резонатором играют когерентные эффекты.
4) существует критическое давление буферного газа гелия, выше которого для одночастотного лазера на переходе
5d СЗ/2]^ - 6р[3/2] Хе I реализуется бистабильный поляризационный режим.
5) в разряде ксенона при давлениях 1*10 Па для одночас тотного лазера на переходе 5d[7/2] - 6р[5/2]г Xel наблюда ется поляризационный режим с почти полной деполяризацией лазерного излучения. - ІЗ -
class1 ДАННЫЕ О ВОЗБУЖДЕНИИ И РЕІАКСАЦЙИ СОСТОЯНИЙ
НЕЙТРАЛЬНОГО КСЕНОНА - Хе I . ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ class1
Релаксация возбужденных состояний Хе І в разряде ксенона и ее влияние на параметры газоразрядной плазмы. Основные типы процессов в разряде ксенона при давлениях
Известно [15,24,51,58], что долгоживущие возбужденные атомы играют важную роль в процессах, протекающих в возбужденном газе и слабоионизированной плазме, и в основном определяют условия работы газовых лазеров. В тлеющем разряде ксенона таковыми являются группа уровней 5 d, 6 s, 6 s . Конкретизируем роль отдельных столкновительных и радиационных процессов и уровней, влияющих на инверсную населенность и участвующих в размножении электронов.
Сразу же отметим, что если в Не-Хе смеси происходит усиление процессов электронного размножения за счет процессе Пе-нинга, то весьма незначительно. Низкая электронная температура [46,60j , которая определяется легкоионизируемой добавкой Хе , приводит к тому, что концентрация метастабилей гелия 2 S0 и 2 Si мала. Низкая электронная температура и малые эффективные сечения реакции ( ІСГ15 сиг) [58] указывают, что этот процесс не может играть заметной роли Не-Хе смеси при давлениях 100 1000 Па [56]. В общем, роль пенинговских процессов с участием гелия явно завышена. Например, в [88, I0l] убедительно показано, что ступенчатые процессы возбуждения электронным ударом с основного состояния Cd ( X = 0,4416мкм) преобладают над пенинговскими процессами. Хотя ранее считалось, что последние вносят основной вклад в образование инверсной населенности [114].
Потенциал ионизации Хе (12,12 эВ) намного ниже потенциала возбуждения Не . Нижайшее метастабильное состояние Н е 2 S (19,8 эВ) значительно выше уровней энергии Xel, поэтому прямой передачи энергии от Неї к Хе не происходит.
Процесс диссоциативной рекомбинации Хех + е — (XeJ — Xel + Хе +АЕ (I.I) не может относиться к разряду основных каналов заселения группы уровней 5 d . Согласно [51,112] константа реакции (I.I) равна ttb =2,3 Ю 6 см3/с, что при характерных плотностях электронов Ne = ТО10 см"3 дает скорость реакции процесса
Изотопический эффект
В обзоре литературы упоминалось, что характерное поведение температуры и плотности электронного газа при добавлении гелия не позволяет объяснить появление лазерного эффекта почти на всей группе спектрального мультиплета 5о- 6 р \б0,64]. Чтобы однозначно определить - принимает ли гелий непосредственное участие в формировании аномально большого коэффициента усиления в бинарной системе Не-Хе, достаточно исследовать изотопи-ческий эффект для Не и Не в проявлении на коэффициенте усиления.
Метод изотопических меток - влияние изотопов на константы реакций и другие параметры системы плодотворно используется для понимания роли отдельных стадий и механизмов в химических реакциях [39]. Как известно [85], идея Фрёлиха позволила выяснить природу взаимодействия, ответственного за переход в сверхпроводящее состояние. Экспериментальное подтверждение изотопического эффекта показало, что взаимодействие электронов с кристаллической структурой играет определяющую роль. Впоследствии это позволило Куперу и др. [63,76] сформулировать наиболее полную микроскопическую теорию явления сверхпроводимости. Отметим, что в He-Ne смеси изотопический эффект проявляется в повышении выходной мощности лазера на 30% при замене 4Не на3Не [56].
Экспериментально изотопический эффект легче проверить для линии с X = 3,51 мкм, обладающей наибольшим коэффициентом усиления слабого сигнала, так как при этом обеспечивается высокая точность его определения. Измерения коэффициента усиления слабого сигнала проведены по стандартной методике [2] с изотопом Не (обогащение - 99,9%) и Не (99,99%) и спектрально чистым Хе . Схема эксперимента изображена на рис.2.1. В качестве источника излучения использовался одночастотный лазер с медленной перестройкой частоты (-0,5 Гц). Медленная перестройка позволяла обойтись без системы автоматической подстройки лазера и фиксировать центр линии усиления по максимуму сигнала. Сигнал, модулированный прерывателем ( 400 Гц), с приемника излучения усиливался и синхронно детектировался и далее подавался на самописец. Усиление находилось по отношению максимумов сигнала при включенном и выключенном разряде в усилительной ячейке. Воспроизводимые результаты (5%) получались только при тщательном отлейте ячейки в ксеноне или гелии. Измерения усиления проводились для двух изотопов при идентичных условиях по накачке.
Основы теории газовых лазеров в слабом магнитном поле
В известной лэмбовской теории газового лазера [93] прене-брегается столкновительными эффектами и допускается, что лазер работает на атомах с невырожденными уровнями. Существенно модифицированная теория, разработанная Дьяконовым и Перелом [19-22] и учитывающая реальную зеемановскую структуру, позволяла объяснить и упорядочить имеющийся в то время экспериментальный материал [23]. Однако позднее было найдено [79,84,91], что одномодовый лазер на переходах 3 = 1 -" J= 1 и ] = 1 —- J= О с внутренними зеркалами имеет круговую поляризацию, т.е. наблюдается сильная связь между круговыми компонентами, хотя теория предсказывала нейтральную связь - положение безразлич - 72 ного равновесия. Это предполагает, что переходы мелщу зеема-новскими подуровнями,индуцированные столкновениями,для J-1 с изменением Д hi \ = 2 более вероятны, чем С ДПП= \ . Томлин-соном и другими [128] была предложена теория, представляючая собой естественное обобщение результатов, полученных в работах [19-23]. В ней принимается во внимание различие в константах релаксации мультипольних моментов и она приводит к хорошему соответствию с экспериментальными данными, имеющимися в то время. При изложении этого параграфа в основном использовались работы [19-23,128].
Для газовых лазеров, работающих при давлениях порядка 100 Па (ЫО мм рт.ст.), имеет смысл рассматривать только парные столкновения, причем - столкновения возбужденного атома с атомом в основном состоянии. Иногда, весьма условно, столкновения подразделяют на две категории. К первой категории относятся столкновения, в которых возбужденный атом не меняет своего электронного состояния, и их называют столкновениями перемешивающими зеемановские подуровни или деориентирующими столкновениями. Ко второй категории обычно относятся столкновения с передачей электронного возбуждения.
Предположим, что взаимодействие поле - среда намного меньше тепловой энергии Т и время столкновения намного короче чем радиационные времени жизни атомных состояний и динамика атомных состояний не зависит от лазерного взаимодействия,т.е. стационарная накачка не зависит - существует лазерное поле или нет.
