Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Импульсные газоразрядные лазеры на парах металлов 9
1.1. Лазеры с прямым возбуждением верхнего лазерного уровня 10
1.2. Лазеры с косвенным возбуждением верхнего лазерного уровня ... 15
Глава II. Экспериментальная техника и аппаратура регистрации 21
2.1. Газоразрядная трубка 21
2.2. Источник возбуждения 25
2.3. Техника эксперимента 29
2.4. Методика измерений 30
Глава III. Исследование лазеров на парах редкоземельных элементов 34
3.1. Особенности редкоземельных элементов как активных лазерных сред 36
3.2. Исследование энергетических характеристик лазеров на парах РЗЭ 45
3.3. Лазерный переход атома тулия с длиной волны А,=1101 нм 51
3.4. Частотные характеристики 56
3.5. Столкновительный лазер на парах тулия 59
3.6. Лазер на смеси паров тулия и эрбия 70
3.7. Выводы 74
Глава IV. Механизм формирования инверсии заселенности в лазерах с косвенным возбуждением верхних лазерных уровней 76
4.1. Прямое возбуждение верхних лазерных уровней 76
4.2. Передача возбуждения в столкновениях с электронами 78
4.3. Столкновительная передача возбуждения 82
4.4. Столкновения между частицей сорта р и частицей сорта q 87
4.5. Столкновения между однородными частицами 89
Выводы 96
Заключение 98
Литература 101
- Лазеры с косвенным возбуждением верхнего лазерного уровня
- Лазерный переход атома тулия с длиной волны А,=1101 нм
- Лазер на смеси паров тулия и эрбия
- Столкновительная передача возбуждения
Лазеры с косвенным возбуждением верхнего лазерного уровня
Процесс передачи возбуждения, при котором столкновение возбужденного атома одного типа с невозбужденным атомом другого типа приводит к безизлучательному переходу первого в основное состояние, а второго в возбужденное (передача возбуждения) разными авторами называется: «сенсибилизированная флуоресценция», «активизированная флуоресценция» либо «косвенное возбуждение». В данной работе используется термин «косвенное возбуждение». Указанный процесс записывается как: где А, В; А , В - атомы в основном и возбужденном состояниях соответственно, а АЕ - дефект энергии квазирезонансного процесса. Первый лазер, использующий указанный процесс, был реализован Джаваном в 1961 году [63] в смеси гелия и неона (гелий-неоновый лазер). Другим характерным примером лазера с использованием процесса передачи возбуждения является лазер на смеси ССЬ+ +Не [64], генерирующим на колебательном переходе 001-100 молекулы С02. При этом верхний уровень 001 эффективно заселяется из основного колебательного состояния 000 электронным ударом, а переход 10 0-00 0 запрещен. Добавление в рабочую смесь No приводит к значительному повышению мощности лазерного излучения. Это объясняется тем, что дефект энергии ДЕ между колебательным состоянием молекулы ССЬ и колебательным состоянием с v=l молекулы N2 составляет 18 см", что меньше kTg. Это обеспечивает высокую эффективность процесса столкновительной передачи возбуждения от молекулы N2 к СО?. При этом возбуждение уровня с v=l молекулы N2 происходит достаточно эффективно, и указанный уровень является хорошим резервуаром энергии. В 1974 г. группой Олта [65] был предложен Ar+N2 лазер, основанный на принципе передачи возбуждения от возбужденных атомов Аг (ЗрМэ) на квазирезонансное состояние N2 (с Пи) с дефектом энергии АЕ «0.1 эВ и сечением процесса порядка 10" см". Добавка аргона в лазер на N2 также приводит к значительному повышению мощности лазерного излучения на переходах второй положительной системы N2.
Другим лазером, основанном на обмене энергией, является химический 02 -1 лазер [66], мощность которого превышает 100 Вт. Здесь генерация осуществляется на переходе Р/2 - Р3/2 атомарного йода при возбуждении верхнего уровня в процессе столкновительного переноса энергии от 02 ( Д). В лазерах на смесях паров металлов с инертными газами внимание на столкновительный перенос возбуждения было впервые обращено в работе [67], где обнаружена взаимная модуляция желтой и зеленой линий генерации в лазере на парах меди. Здесь верхние лазерные уровни Р з/2 и Р/2 указанных линий генерации разделены энергетическим промежутком ДЕ=249 см"1. Впоследствии в работах [68,69] были проведены исследования процессов столкновительного переноса возбуждения в смесях паров меди и инертных (а также ряда молекулярных) газов при оптической накачке. При этом сечения определялись для процессов с участием в качестве столкновительных партнеров: Cu-Cu, Cu-инертный газ, а также Си-молекулярный газ не только для Р, но и для D уровней. Кроме этого, исследовалось столкновительное девозбуждение последних в основное состояние. Позднее в [70] было получено окончательное подтверждение эффективности указанных процессов, в частности, для лазера на парах меди. В этой работе было реализовано вынужденное излучение на обоих лазерных переходах при оптической накачке только одного из верхних лазерных уровней. В качестве основного механизма создания инверсии в лазерах на парах металлов столкновительные процессы передачи возбуждения впервые были предложены в [71,72] для объяснения факта существования генерации лазерного излучения на переходе атома Yb, начинающегося с уровня Рь не возбуждаемого прямым электронным ударом в газовом разряде из основного состояния.
Предполагалось, что заселение уровня Р происходит с хорошо возбуждаемого из основного состояния электронным ударом уровня D2 при столкновении атома Yb в этом состоянии либо с невозбужденным атомом Yb, либо с атомом Не, при дефекте энергии АЕ = 316 см"1. В дальнейшем проводились исследования возможности использования процессов столкновительной передачи возбуждения с целью создания новых типов лазеров на парах металлов при когерентной накачке, например, в работах [73, 74, 75], завершившихся достижением режима генерации на резонансной линии D) атома калия. В данном случае заселение уровня 4Р/2 происходило в результате столкновений атомов К в состоянии 4Р3/2 возбужденных из основного состояния при оптической накачке излучением с длиной волны, близкой к линии уровня D2 с атомами Не. Генерация лазерного излучения была также зафиксирована в Са I [76] на переходе F3 -3D2 при лазерной накачке уровня D, который каскадно заселял D0 с дальнейшей передачей возбуждения на уровень F 3 в столкновениях с атомами Аг. Исследованию столкновительной передачи возбуждения посвящено большое количество работ. В частности, указанный процесс интенсивно изучался в парах щелочных и щелочноземельных металлов. Исследовалась
Лазерный переход атома тулия с длиной волны А,=1101 нм
При исследовании энергетических характеристик лазерного излучения в различных переходах атома тулия было обнаружено аномальное поведение линии генерации с длиной волны Х= 1101 нм. Во-первых, по мере разогрева ГРТ генерация на указанном переходе появляется при необычно низком напряжении на выпрямителе ( 1 кВ) и низкой концентрации атомов тулия, когда генерации на других лазерных переходах еще нет. Во-вторых, по мере увеличения напряжения мощность генерации нарастает, проходит через максимум при напряжении около 2.5 кВ и затем уменьшается и исчезает при напряжении более 4 кВ. При дальнейшем нагреве ГРТ и увеличении концентрации атомов металла появляется как линия с А,=1101 нм, так и остальные линии генерации. Сказанное иллюстрирует рисунок 3.17. На рисунке приведены осциллограммы импульса тока и импульсов генерации при разном напряжении на выпрямителе. На рисунке 3.18 приведены графики зависимости энергии импульса генерации и времени задержки импульса генерации (по вершине) относительно начала импульса тока. Поскольку лазерные переходы как с более высоколежащих уровней, так и нижележащих относительно верхнего лазерного уровня перехода с А/=1101 нм таких свойств не проявляют, мы не рассматриваем процессы ионизации в качестве причины, определяющей поведение линии генерации с А,=1101 нм. Учитывая тот факт, что верхний лазерный уровень перехода с А.= 1101 нм с энергией Е=25536 см"1 лежит выше большинства верхних лазерных уровней переходов в атоме тулия, указанное выше аномальное поведение линии Х,=1101 нм (появление генерации при очень низком напряжении) заставило усомниться в правильности идентификации данного перехода. В связи с этим была проведена проверка идентификации перехода следующим образом. Поскольку вблизи уровня с Е = 25536 см"1 находится верхний лазерный уровень (Е = 25717 см"1) самоограниченного перехода с Я,=589.9 нм, достоверность идентификации можно подтвердить наличием взаимной модуляции линий с А=1101 нм и 589.9 нм (рис. 3.19).
Исследования позволили 1101.11 обнаружить условия, при которых первой по мере разогрева ГРТ появляется видимая линия генерации с А,=589.9 нм (концентрация 1ПІ4 -з атомов тулия ПП1=1 U см , концентрация атомов гелия Пцс=1016 см"3). При введении в шая схема резонатор светофильтра КС-13 рис 3.19. Упрощені (непрозрачного для 600 нм) уровней для переходов с =589.9 и А,=1101 нм атома тулия, появлялась генерация на линии 1101 нм (наблюдаемая в ЭОП) и исчезала видимая генерация. При увеличении концентрации атомов гелия в два раза при прочих неизменных условиях первой по мере разогрева ГРТ появляется линия \-\ 101 нм. Это указывает на то, что верхний лазерный уровень перехода с А,=П01 нм заселяется в столкновениях с атомами гелия, в том числе с резонансного уровня с Е=25717 см", одновременно являющегося верхним лазерным уровнем для перехода с А,=589.9 нм. Таким образом, данный эксперимент показал правильность идентификации перехода с Х=\ 101 нм. Анализ возможных причин аномального поведения данной линии генерации привел к единственному, с нашей точки зрения, объяснению. Работа данного лазерного перехода при очень низком напряжении может объясняться тем, что верхний лазерный уровень заселяется от трех близкорасположенных резонансных уровней. Это следующие уровни: 1) с энергией 25656 см"1, принадлежащий конфигурации 6s6p (Р()) и имеющий дефект энергии АЕ = 120 см"1 к верхнему для перехода 1101 нм лазерному уровню; 2) с энергией 25717 см" (5d6s ) АЕ = 181 см" ; 3) с энергией 25745 см"1 (5d6s2) ДЕ = 209 см"1. При этом силы осцилляторов для переходов с этих уровней, за исключением первого, больше, чем у нижележащих переходов. Нами были измерены относительные интенсивности резонансных переходов с этих уровней, которые в наших условиях возбуждения составили 0.77 для уровня с Е=25717 см"1 и 0.34 для уровня с Е=25656 см"1.
Переход с резонансного уровня с энергией 25745 см"1 обнаружен не был. Факт исчезновения генерации на переходе А,=1101 нм при увеличении напряжения накачки, по нашему мнению, связан с оптической функцией возбуждения резонансных уровней. Как известно, в атоме тулия оптические функции возбуждения подразделяются на 4 типа. Функция возбуждения типа А приведена на рисунке 3.20 [111]. Для резонансных переходов с уровней, лежащих вблизи верхнего лазерного уровня с Х=\ 101 неизвестны. Но если предположить, что тип этих функций соответствует типу А, то поведение генерации с ростом Ті напряжения можно объяснить и а: следующим образом. 2 Как известно, в начале импульса тока при характерном для лазеров на парах металлов возбуждении энергия электронов составляет 5-10 эВ. Функция возбуждения типа А имеет максимум до 5 эВ. При увеличении энергии электронов свыше 5 эВ сечение возбуждения начинает быстро спадать. Это приводит к исчезновению генерации с ростом напряжения, а, значит, и ростом энергии электронов. Последующее появление генерации при увеличении концентрации атомов тулия также объяснимо. Скорость заселения верхнего лазерного уровня записывается как где v, vc - скорости налетающих частиц и электронов; N[e, Nj - концентрация атомов гелия и тулия соответственно; Rj, U- резонансный и верхний лазерный уровни; G - основное состояние; а; - сечение соответствующего процесса. Из уравнения видно, что уменьшение сечений возбуждения может быть скомпенсировано увеличением концентрации атомов тулия, что и наблюдается в эксперименте.
Лазер на смеси паров тулия и эрбия
Впервые возможность создания лазера с обменом энергии между верхними уровнями двух разнородных атомов была указана в работе [114], где было предложено использовать смесь паров натрия и кальция, однако лазер по такой схеме до настоящего времени создан не был. Нами была предпринята попытка реализовать данную идею в парах редкоземельных элементов, имеющих весьма разветвленную атомарную структуру уровней. Это обстоятельство увеличивает вероятность того, что при столкновительной передаче энергии возбуждения от одного атома металла к другому найдутся уровни-акцепторы с небольшим дефектом энергии (AE kTg) относительно уровня-донора. В качестве исследуемых металлов были выбраны тулий и эрбий. В парах эрбия генерация лазерного излучения до настоящего времени получена не была. Поскольку температура равного давления насыщенных паров для тулия и эрбия различаются в области давлений 1 Торр на 500 градусов, в газоразрядной трубке создавался необходимый температурный профиль с помощью внешнего нагревателя. Диаметр ГРТ составлял 12 мм при общей активной длине ГРТ 500 мм. Навески тулия располагались в центральной зоне ГРТ на длине 250 мм, а эрбий помещался по краям трубки в двух зонах длиной по 125 мм. В качестве буферного газа использовался гелий при давлении 3 Торр.
Температура разрядного канала ГРТ контролировалась термопарой и оптическим пирометром. Накопительная емкость 2.35 нФ заряжалась до напряжения 14 кВ. Частота повторения импульсов составляла 5 кГц. Резонатор образован двумя плотными плоскими зеркалами с алюминиевым покрытием. Эксперимент проводился следующим образом. Вначале в ГРТ по всей ее длине помещался только эрбий. Внешним нагревателем создавался равномерный нагрев и проводились исследования по получению лазерного излучения в указанном элементе. При этом концентрация атомов эрбия могла подниматься до 5-10 см" . Попытки получить генерацию лазерного излучения в парах чистого эрбия успехом не увенчались. Затем в ГРТ был помещен тулий (в центральную зону) и эрбий (на краях трубки). Внешним нагревателем в зоне расположения тулия поддерживалась температура 1100 С, что соответствовало концентрации атомов тулия п-щг -Ю13 см"3, а по краям в зоне расположения эрбия 1550 С (концентрация атомов эрбия п,.;г=2.7-10,5см"3). В результате проведенных исследований были зафиксированы 4 линии генерации, соответствующие лазеру на парах тулия (длины волн X = 1069; 1101; 1310; 1338 нм) и одна линия с длиной волны X = 1058.9 нм, не принадлежащая атому тулия и существовавшая только при наличии паров эрбия. Точность измерения длины волны излучения (ДА, 0.1 нм) и анализ работ [115, 116, 117] показали, что обнаруженная линия принадлежит атомарному переходу эрбия между уровнем конфигурации 4f" (4I(),3/2)6s26p3/2 с энергией Е=25942.577 см"1 и уровнем 4f 1(4I0i3/2)5d5/26s2 с энергией Е=16501.416 см"1. Верхний лазерный уровень имеет одинаковую четность с основным состоянием.
Предполагаемая схема заселения данного верхнего уровня показана на рис. 3.27, а осциллограммы импульсов тока и генерации - на рисунке 3.28. Верхний лазерный уровень заселяется с трех резонансных уровней тулия с энергиями Е = 25745, 25717 и 25656 см"1 в реакции столкновительной передачи возбуждения: где Тт(), Тт и Ег(), Ег - атомы тулия и эрбия в основном и возбужденном состояниях соответственно. Необходимо отметить, что указанные резонасные уровни участвуют также в заселении верхнего лазерного уровня перехода с А,= 1101 нм в атоме тулия. Эффективность процесса заселения верхнего лазерного уровня в атоме эрбия обусловлена следующими факторами: 1. Относительно небольшими дефектами энергии АЕ = 200 - 300 см"1. 2. Большой скоростью заселения указанных резонансных уровней тулия из основного состояния прямым электронным ударом в газовом разряде. Положение импульса генерации на заднем фронте импульса тока накачки (рис. 3.28) свидетельствует о том, что заселение верхнего лазерного уровня происходит в столкновениях тяжелых атомов (атомов металлов) [128]. 1. Показано, что в лазере на парах тулия наиболее перспективным лазерным переходом является переход с А,=1310 нм. На данном переходе получена средняя мощность излучения 1.25 Вт. 2. Частотные характеристики лазеров с косвенным заселением верхних лазерных уровней определяются дефектом энергии верхних лазерных уровней к резонансным. 3. Впервые обнаружен эффект влияния канала накачки на частотные характеристики лазеров. Обнаружена линейная зависимость порога спада амплитуды импульсов генерации с ростом частоты импульсов возбуждения от давления гелия. 4. Впервые исследованы энергетические возможности лазеров на парах диспрозия и гольмия. Получены средние мощности 600 и 800 мВт соответственно. 5. Реализован столкновительныи лазер в структуре атомов металла, соответствующий критериям Гулда. 6. Впервые получена генерация лазерного излучения в парах эрбия.
Столкновительная передача возбуждения
Наиболее вероятным процессом, обеспечивающим заселение верхних лазерных уровней, с нашей точки зрения являются атом-атомные столкновения второго рода. А именно, столкновительная передача возбуждения на верхние лазерные уровни от близкорасположенных резонансных уровней, эффективно заселяемых в газовом разряде из основного состояния прямым электронным ударом. Данный процесс проявляется в эффекте сенсибилизированной флуоресценции. По определению Франка, этот эффект подразумевает межатомные столкновения, когда возбужденный атом одного типа, сталкиваясь с невозбужденным атомом другого типа, переходит (безизлучательно) в основное состояние, а другой атом переходит в возбужденное состояние. В нашем случае (двухкомпонентная смесь) этот процесс можно записать двумя реакциями: где M І, M і; - атомы металла в близких по энергиям возбужденных состояниях і и к, М0 - атомы металла в основном состоянии, В - атом инертного газа. Реакции указанного типа интенсивно исследовались и исследуются в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом. Одним из наиболее полных обзоров, посвященных вышеуказанным процессам, является работа [123]. Как показали экспериментальные исследования, эффективность процессов столкновительной передачи возбуждения очень сильно зависит от дефекта энергии ДЕ. Наибольшие величины сечений в таком процессе реализуются при внутри мул ьтиплетном перемешивании в результате столкновений возбужденных атомов металла с собственными атомами в основном состоянии. Так, для переходов между уровнями с АЕ = 1-7 см" обычной является величина сечения порядка (1-4)-10" см". Максимальная измеренная величина сечения для АЕ = 2 см" превышает 10" см" [123]. Затем по эффективности следуют процессы внутримультиплетного перемешивания при столкновении возбужденных атомов металлов с атомами инертных газов, где при близких АЕ в тех же элементах сечение передачи возбуждения составляет -5-10" см.
Далее по эффективности следуют переходы между различными электронными конфигурациями, которые и представляют для нас наибольший интерес. Анализ данных по сечениям столкновительной передачи возбуждения показал значительное различие в сечениях для реакции (4.10) и реакции (4.11), особенно при больших дефектах энергии (рис. 4.3). К сожалению, для указанных выше процессов, особенно в случае тяжелых атомов, правила отбора еще не выяснены. В работах [15, 99, 100, 113, 118] высказывалось предположение, что основным механизмом создания инверсии населенности в лазерах на парах РЗЭ является столкновительная передача возбуждения от близкорасположенных резонансных уровней. При этом столкновительными партнерами могут являться как атомы металла, так и атомы буферного газа. процессов двух типов в зависимости от дефекта энергии. Одной из задач данной работы являлась экспериментальная проверка оправданности вышеуказанных предположений. Было проанализировано поведение импульсов генерации при изменении концентрации атомов тулия nTm и гелия Пце (буферный газ). Исходя из результатов анализа, лазерные переходы можно разделить на три группы по форме импульса генерации и его положению относительно импульса тока.
Соответствующие осциллограммы показаны на рис. 4.4. Первая группа, представленная переходом с длиной волны АМ310 нм, отличается чувствительностью к концентрации гелия, импульс генерации расположен на переднем фронте импульса тока. Вторая группа, для которой импульс генерации расположен на заднем фронте импульса тока, характеризуется работой при очень низких давлениях гелия (Рцс 0.5 Торр). В третьей группе (А,=1495 нм) импульс генерации имеет два максимума - на переднем и заднем фронтах импульса тока. В данной работе приведены результаты исследований зависимости мощности лазерного излучения от концентрации атомов тулия для переходов первой и второй групп. Такие данные позволяют более определенно судить о механизме формирования инверсной заселенности. Экспериментальная установка включала в себя газоразрядную трубку, имеющую внешний подогрев и работавшую в режиме независимого нагрева. Диаметр газоразрядного канала составлял 15 мм, длина активной зоны - 400 мм. Навески рабочего металла располагались непосредственно на внутренней поверхности газоразрядного канала по всей его длине. Температура в трубке измерялась с помощью термопары, давление гелия контролировалось вакуумметром ВДГ-1. При исследованиях использовался перестраиваемый резонатор.
