Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 13
ГЛАВА I. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ 15
Исследования Г.Гулда по созданию эффективных газовых лазеров (история вопроса) 15
Эффективность газоразрядных лазеров на электронных переходах (современное состояние вопроса ) 18
1.3. Выводы 23
ГЛАВА П. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОДУЛЯЦИИ НАСЕЛЕННОСТИ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕХУРОВНЕВЫХ ИМПУЛЬСНЫХ
ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ 24
Метод модуляции населенностей (ММН) 24
Применение MvlH для исследования трехуровневого импульсного газоразрядного лазера 26
Блок-схема экспериментальной установки 33
Некоторые особенности экспериментальной установки и активной среды лазера на самоограниченных переходах атома меди 37
Результаты эксперимента 39
Обсуждение результатов 43
2.7. Выводы 45
ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ШНЕТИШ РАСПАДА МЕТАСТАБИЛЬНЫХ
' СОСТОЯНИЙ ИОНА St И АТОМ У і И МЕХАНИЗМОВ ОГРАНИЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ НА
САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ ЭТИХ ЧАСТИЦ *$'
Обоснование выбора объектов исследования 46
Исследование распада населенности метастабиль-ного состояния Hd 2D5/ иона стронция 52
3.2.1.Аппаратура эксперимента 52
3.2.2.Временной ход населенности метастабильного
уровня LidZDs/z иона стронция ^3
3.2.3. Об суждение результатов 61
3.3. Исследование кинетики релаксации населенности
уровня 3Р± атома У і 66
3.3.1.Идентификация лазерных переходов и аппаратура
исследования "
3.3.2.Временной ход населенности уровня Р± атома
У и обсуждение результатов *
3.4. Исследование частоты следования импульсов
лазеров на ионе St и атоме \Ч 72
3.4.1.Динамика изменения мощности генерации на
.Я- = 1.033 и X = 6.45 мкм иона и атома
3.4.2.Динамика изменения мощности генерации на
1=1.45 и 1.98 мкм атома И 7б
3.5. Выводы 79
ПІАВА ІУ. ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОГО ГАЗОРАЗРЯДНОГО
ЛАЗЕРА НА ИОНИЗОВАННОМ ЕВРОПИИ 8I
4.1. Измерение вероятностей переходов в первом
ионе европия..' 86
Измерение скорости накачки и концентрации электронов в импульсных Не'Паи Ue.-Sz лазерах. 90
Измерение эффективных времен жизни резонансных состояний Я и А 97
Стр.
Измерение населенностей рабочих уровней ЮО.
Некоторые особенности поглощения излучения на рабочем переходе с .Я = 1.0019 мкм при низких давлениях гелия 106.
Измерение эффективных времен жизни метастабиль-ных состояний в газоразрядной плазме 109.
Исследование траектории движения иона Ecl
по возбужденным состояниям методом модуляции
населенности уровней 117.
4.8. Модуляция интенсивности атомных линий европия
4.9. Электрические характеристики Не'Ей лазера .
4.10. Энергетические характеристики Ht-tu лазера 128.
4. II. Выводы 134.
ГЛАВА У. НШРЕРЫВНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ПЕРЕХОДАХ С РЕЗОНАНСНЫХ
НА МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ УРОБІМ АТОМОВ 136.
Исследование tit'Ви лазера с целью получения непрерывного режима генерации 136.
Условия непрерывной генерации и механизмы релаксации нижнего рабочего уровня 140.
5.2.1.Условия стационарной инверсии 180.
5.2.2.Механизмы релаксации нижнего метастабильного
рабочего уровня 143.
5.3. Выводы. Критерии выбора модельных активных сред
для непрерывной генерации 151.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153.
ЛИТЕРАТУРА 156,
Введение к работе
Первоначальные успехи в разработках и применениях газовых лазеров были связаны с использованием активных сред,в которых расселение нижних рабочих уровней осуществляется спонтанным излучением. Однако газоразрядные лазеры такого рода в силу самого принципа работы,обладают очень серьезным и неустранимым недостатком - низким коэффициентом полезного действия (к.п.д.). Этот факт ограничивает область и эффективность применения этих лазеров в народном хозяйстве и прикладных научных исследованиях.
Поэтому одной из важнейших задач,требующих своего реше -ния,является задача повышения мощности и к.п.д. лазеров. Наиболее остро эта проблема стоит для лазеров видимого и ближнего ИК диапазона спектра работающих как в импульсном,так и в непрерывном режиме.
Одним из путей повышения эффективности газовых лазеров, как это впервые показано в работах Г.Гулда и В.Беннета [і ,2] , является использование таких активных сред,в которых нижний рабочий уровень находится близко к основному состоянию активной частицы и способен расселяться в результате неупругих столкновений с тяжелыми частицами. Лазеры работающие на этом принципе,стали называться столкновительными. Реализация этого принципа работы в СОр, СО и различных химических лазерах позволила получить высокоэффективную и мощную генерацию. К со-
жалению, инверсия населенности в этих устройствах достигается между колебательными уровнями основного электронного состояния, а поэтому они излучают в ИК диапазоне.
Для получения генерации в видимой области спектра необходимо использовать электронные переходы атомов и молекул. Несмотря на значительные усилия,которые были затрачены для создания столкновительных лазеров на электронных переходах, реальных успехов на этом пути достигнуто не было.
В силу этого,несмотря на актуальность вопроса, интерес к этой проблеме ослаб, и в настоящее время исследования в этой области ведутся сравнительно небольшими силами как у нас, так и за рубежом. Это объясняется,во-первых, трудностями,связанными с невозможностью последовательного теоретического подхода к моделированию физических процессов происходящих в плазме сложного химического состава. Во-вторых, боль -шими техническими трудностями,которые необходимо преодолеть при создании газоразрядных объемов работающих, как правило, в условиях химически агрессивной среды,больших энерговкладов и высоких температур. В-третьих,наряду с этим направлением существуют и развиваются другие пути достижения эффективной генерации электромагнитного излучения. Например, путем использования в качестве рабочих сред рекомбинирующей плазмы, в которых безизлучательная дезактивация нижнего рабочего уровня может происходить при столкновениях с остывающими элект -ронами или эксимерных и эксиплексных молекул,инверсия насе -ленности,в которых реализуется по отношению к основному раз-летному электронному состоянию.
Поиск активных сред работающих по столкновительному принципу на электронных переходах атомов и молекул, привел в 1965-1967 гг к созданию большого класса импульсных лазеров, работающих на переходах с резонансного на метастабильный уровень J3-8J . Эти уровни в атомах и ионах металлов расположены сравнительно близко к основному состоянию, поэтому квантовый коэффициент полезного действия рабочего перехода обычно высок и часто достигает величин порядка 0,5. Инверсия населенности и генерация в этих ОКГ возникает на фронте импульса тока, в момент ионизационной неравновесности, за счет преимуществен -ного заселения резонансных уровней по отношению к метастаби -льным уровням быстрыми электронами,существующими в момент развития разряда.
Уменьшение населенности метастабильных уровней происходит в межимпульсный период.
Поскольку длительность генерации ограничена большим временем жизни метастабильных уровней, то эти системы носят названия лазеров на самоограниченных переходах (СОП). Иногда их называют также "циклическими" отражая тот факт,что процессы заселения верхнего и релаксации нижних рабочих состояний происходят в различные моменты времени.
Лазер этого класса на парах атома меди.работающий на переходах гР/ - *0/ (А = 5105 А ) и Щ - *QsA (Л = 5782 А ) является в настоящее время наиболее эффективным и мощным источником излучения в видимой области спектра. Однако наблюдаемый в экспериментах к.п.д. этого лазера I * 3 % [8 - 12] , примерно на порядок ниже значений, которые ожидались вначале на основе простых оценок к.п.д. лазера по формуле Гб,7 .
где Qf , Qz соответственно статвеса нижнего и верхнего рабочих состояний, h-Vfz и -2. - энергия лазерного фотона и энергия возбуждения верхнего состояния,/ - фактор, учиты-вающий долю энергии,расходываемой на возбуждение верхнего рабочего резонансного уровня.(Аналогичное утверждение можно сделать и относительно средней мощности генерации).
Несмотря на значительное количество экспериментальных и теоретических работ [13 - 27] , в настоящее время не существует экспериментально обоснованных методик расчета этого лазера, позволяющих прогнозировать и оптимизировать выходные энергетические параметры. И поэтому малые значения к.п.д.связывают с самыми разнообразными причинами: с несовершенством экспериментальной техники и,в частности, с несовпадением длительности импульса тока возбуждения и генерации, потерей энергии в коммутирующих элементах и т.д.,а также с паразитными процессами заселения нижнего рабочего уровня и расселения верхнего. Как показывают расчеты, на генерацию существенно влияют не менее десяти параметров 25І. В многофакторных численных экспериментах объем необходимых вычислений оказывается столь большим,что применение этого метода становится малоэф -фективным.
Ясно, что в этих условиях экспериментальное исследование основных физических процессов и диапазона их влияния на выходные энергетические параметры оказывается необходимым для создания простых экспериментально обоснованных теоретических
:9
моделей.
Ожидалось, что реализация непрерывного режима генерации на переходах с резонансного на метастабильный уровень, в случае быстрой релаксации метастабильного уровня при столкновениях с примесными частицами, может привести к дальнейшему повышению эффективности и мощности генерации [б,7] .
Кроме того, повышение скорости опустошения метастабильного состояния представляет интерес и с точки зрения повышения выходных энергетических параметров излучения лазеров на СОП. Таким образом, на пути к решению этих задач стоит проблема быстрого опустошения метастабильного уровня при неупругих столкновениях с тушащими частицами.
Квазинепрерывная и непрерывная генерация с резонансных
на метастабильные уровни в газовом разряде была впервые по
лучена на переходах иона I ,36/wk/w )
и Ц ^5 (Л - 1,0019мкм )в смеси с гелием, а также на
переходах атомов Со и S-ъ в смеси с ГІ2 в 1973-
- 1974 гг 28-32 . К моменту начала этой работы (1973-1974гг)
основные физические процессы заселения и разрушения нижних
метастабильных рабочих уровней в лазерах, работающих с резо
нансных на метастабильные уровни как в импульсном так и не
прерывном режимах,были изучены плохо. В частности, не были
известны механизмы релаксации населенности метастабильных
состояний в импульсных лазерах на СОП, ограничивающие часто
ту следованиям значит, и среднюю мощность этих лазеров.
Выходные энергетические параметры лазера на смеси Не ~Еи были незначительны,а физические процессы,обеспечивающие инверсию населенности и безизлучательную дезактивацию нижнего
метастабильного лазерного уровня, не известны.
Отсутствовал анализ различных механизмов безизлучатель-ной дезактивации метастабильных состояний атомов с точки зрения достижения непрерывной генерации в лазерах на СОП. Все это объяснялось отсутствием экспериментальных данных о физических параметрах и процессах существующих в активных средах
этих лазеров.
В связи с вышеизложенным, основной целью настоящей работы является экспериментальное исследование физических параметров и процессов распада метастабильных состояний атомов и ионов в лазерах.работающих с резонансных на метастабильные уровни с точки зрения достижения эффективной генерации.
В соответствии с поставленной целью материал диссертационной работы разбит на пять глав.
Первая глава. Носит обзорный характер. В ней на основе критериев Г.Гудда рассматривается эффективность газоразрядных лазеров и анализируются параметры существующих газоразрядных лазеров. Показано,что положения Г.Гулда носят общий характер и не зависят, например, от типа отклонения рабочей среды от состояния термодинамического равновесия или механизмов создания инверсии населенности.
Во второй главе рассматривается методика и техника эксперимента.
Исходя из поставленной цели, в качестве основной методики исследования выбирается амплитудный вариант модуляционной нелинейной лазерной спектроскопии - метод модуляции населенности (ММН). Применение этого метода к исследованию импульс-
ных газоразрядных лазеров,позволяет выяснить основные физические процессы,происходящие в этих системах. Предложена простая экспериментальная методика позволяющая выбрать теоретическую модель расчета импульсных лазеров на парах металлов ( ИЛПМ ).
Предложена и реализована экспериментальная установка,основанная на стробоскопической регистрации сигнала,имеющая широкие возможности.
Апробированы возможности экспериментальной установки в экстремальных условиях на примере лазера на парах меди.
Третья глава. В этой главе экспериментально исследуются мощностные характеристики лазеров на самоограниченных переходах и2 ' Ці0 атома У і и Pj" v/в ионах Л- в зависимости от частоты следования импульсов (ЧСМ) и механизмов релаксации метастабильных состояний в распадающей плазме. Методом поглощения света исследуется кинетика распада метастабильных состояний иона S't в распадающей плазме.
Показано, что основными процессом дезактивации метастабильных состояний Uj иона 8ъ являются тушащие столкновения с остывающими электронами. На примере переходов "&' 'ю атома Ус установлено,что уменьшение мощности (энергии) при увеличении ЧСИ не связано с конечным временем жизни нижнего лазерного уровня.
В четвертой главе исследуются физические параметры рабочей среды пе +и лазера. Измерены вероятности инфракрасных переходов в ионе Ьи ,в том числе и на рабочих переходах 9Рц- 7Dg- и *Р4- 77/ о А = 1,36 мкм и Л = 1,00^соответственно; скорость накачки на верхний лазерный уровень / и времена жизни резонансных состояний /у и /у ; насе -
ленности нижних состояний иона Ей ,в оптимальных условиях, " в том числе и рабочих лазерных уровнях. В этой главе исследуются времена жизни нижнего лазерного уровня Ug- в зависимости от давления Не и других параметров, методами модуляции населенности и поглощения света исследуется механизм разрушения нижнего лазерного уровня в импульсе тока и послесвечения разряда.
В пятой главе детально анализируются различные физические процессы разрушения метастабильных уровней атомов,с точки зрения перевода импульсных лазеров работающих с резонансных на метастабильные уровни в непрерывный режим.
В заключительной части диссертации формулируются выводы.
Основные результаты диссертации опубликованы в [28-3l|, 55,69,73,74,77,93,95-99,102,108,109,114 и доложены на: Ш, ІУ, У Всесоюзных семинарах по физике газовых лазеров на парах химических элементов (Ростов-на-Дону, 1975,1977,1981)всесоюзной школе по физике газовых лазеров на парах химических элементов (Ростов-на-Дону, 1982); ІУ Всесоюзной конференции по газовым лазерам (Рязань, 1974); П Всесоюзном симпозиуме по физике газовых лазеров (Новосибирск, 1975); IXД Сибирском совещании по спектроскопии (Томск, 1974); 18, 19 Всесоюзных съездах по спектроскопии (Горький, 1977; Томск, 1983); УШ Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976); П Всесоюзном семинаре по физическим процессам в газовых ОКГ (Ужгород, 1978); Всесоюзных семинарах "Лазеры на парах металлов" (Москва, ШШ СССР, 1978, 1979, 19*3).
