Введение к работе
Актуальность работы. Диссертация посвящена теоретическому исследованию активных сред плазменных лазеров и источников спонтанного линейчатого излучения на смесях паров металлов с инертными газами, накачиваемых жестким ионизатором. Исследуется также возможность создания К2-Н2-лазера с длиной волны 26,5 нм. Плазменными называются лазеры, в которых активной средой служит рекомбинационно-неравновесная (переохлаждетіая) плазма. Под жестким ионизатором подразумеваются электронный и ионный пучки, заряженные продукты ядерных реакций, а также кванты коротковолнового излучения.
За последние 25 лет запущен ряд лазеров на парах металлов, занимающих важное место среди плазменных лазеров. Из основных достоинств этих лазеров отметим: 1) возможность создания лазеров в ИК, видимом и УФ диапазонах спектра; 2) низкие пороги генерации, позволяющие использовать ядерную накачку; 3) возможность использования больших объемов активной среды, что приводит к получению больших энергосъемов. К недостаткам можно отнести высокую оптимальную температуру среды при использовании некоторых из металлов, а также малую длину свободного пробега осколков деления в тяжелых инертных газах высокого давления (Кг, Хе) в случае ядерной накачки.
К настоящему времени разработаны кинетические модели, адекватно описывающие как относительно слабую стационарную накачку лазеров продуктами ядерных реакций, так и мощную импульсную накачку электронным и ионным пучками. Однако, появление новых интересных
экспериментальных результатов требует создания соответствующих теоретических моделей. Актуальной задачей является более подробное
рассмотрение уже СуїЦесТБуЮЇЦКХ МОДСЛСК С уЧСТОМ ПОурОБКСВОй КИНсТйКИ
в атомах металлов и тестирование этих моделей на результатах экспериментов, в которых была получена генерация на атомарных линиях Анализ таких моделей позволяет более полно и точно интерпретировать имеющиеся эксперименты и получать информацию о предельных возможностях той или иной активной среды. Выявление некоторых общих закономерностей формирования инверсии в низкотемпературной плазме способствует целенаправленному поиску новых активных сред лазеров с высокими генерационными характеристиками.
Рекомбинационная схема накачки активных сред, согласно оценкам, позволяет расчитывать - на получение генерации на переходах многозарядных ионов. При детальном исследовании N2-H2 лазера в данной диссертации внимание уделяется возможности создания инверсной заселенности на 3 s —> 2р переходе Li-подобного иона азота (к= 26,5 нм) с рекомбинационным заселением верхнего рабочего уровня и с очисткой нижнего рабочего уровня за счет неупругих соударений с электронами плазмы.
Сегодня наиболее эффективными лазерами, работающими в УФ диапазоне, являются эксиплексные лазеры, накачиваемые элекгрошшми и протонными пучками. Однако наименьшим порогом генерации 400-500 Вт/см3 среди этих лазеров обладает XeF-лазер на смеси Ne-Xe-NF3- В условиях ядерной накачки такая мощность энерговклада обеспечивается при плотностях потока нейтронов -3-Ю16 нейтрон/(см2-с) на поверхности лазерной кюветы. При этом КПД активной среды по вложенной энергии существенно меньше 1 %. В связи с этим для получения УФ генерации в условиях ядерной накачки наряду с эксимерными лазерами перспективной представляется смесь He-Cd
(переход 4d95s2 2D5/2 -> 4d105p2P3/2 в ионе кадмия с длиной волны 325,0 нм), обладающая сравнительно низким (~2-1015 нейтрон/(см2с)) порогом генерации. Б диссертации обсуждается вопрос о возможности создания такого УФ лазера с ядерной накачкой и о причинах, до сих пор этому препятствующих.
Отдельный интерес представляет поиск активных сред для создания эффективных источников спонтанного липейчатого излучения в одном или нескольких относительно узких диапазонах длин волн. Такие источники могут использоваться в различных приложениях, например, для конверсии энергии продуктов ядерных реакций в излучение накачки твердотельных лазеров, для создания относительно узконолоскых ламповых источников накачки лазеров на красителях, различных сигнальных систем непрерывного действия, не требующих прокачки, и т. д.
Цель работы. 1. Построение подробных нестационарных кинетических моделей активных сред источников вынужденного и спонтанного излучения на смесях N2-H2, He-Cd-CCLj, Xe-Sr и Хе-Ва, адекватно описывающих основные релаксационные процессы, протекающие в этих средах под действием жесткого ионизатора.
-
Исследование влияния различных плазмохимических реакций на формирование инверсной заселенности, лазерного и спонтанного излучения в активных средах и выяснение причин, ограїшчивающих выходные характеристики лазеров и ламп.
-
Оптимизация параметров активных сред, резонатора и накачки по выходным характеристикам (мощность излучения, КПД по вложенной энергии) рассматриваемых лазеров и ламп.
Научная новизна диссертации заключается в том, что здесь впервые построена кинетические модели N2-H2 лазера на переходе (к- 26,5 нм)
литийподобного иона азота и Хе-Ва лазера на переходе (к= 490,0 им) иона бария, а также кинетические модели He-Cd-CCl4 (к- 325,0 им) и Xe-Sr (?*= 430,5 им) лазеров на ионных линиях кадмия и стронция с учетом поуровневой кинетики в атомах. На основе этих моделей впервые построены кинетические модели лазера на атомарном переходе кадмия (к= 1,65 мкм) и источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Xe^Sr и Хе-Ва, излучающих в сине-зеленой области спектра. Установлены механизмы создания инверсной заселенности, а также причины, препятствующие получению генерации на рассмотренных переходах, проведена оптимизация рабочих параметров рассмотренных источников и изучено влияние констант скоростей отдельных плазмохимкческих реакций на диапазоны этих параметров.
На защиту вынося ген подробные нестационарные кинетические модели активных сред лазеров и источников спонтанного линейчатого излучения с накачкой жестким ионизатором на смесях N2-H2, Не-Са-ССЦ-N2, Xe-Sr, Xe-Ba, а также анализ результатов расчетов, полученных в процессе численного моделирования.
Результаты работы позволили сформулировать следующие утверждения:
-
Введение водорода в активную среду N2-H2 лазера способствует эффективному охлаждению электронов Н2-Н2-плазмы, что приводит к улучшению разгрузки нижнего рабочего уровня и получению генерации в режиме сверхизлучения на переходе 3 s —> 2р Li-подобного иона азота с длиной волны 26,5 нм.
-
При накачке He-Cd-смеси высокого давления жестким ионизатором релаксационный поток распределяется по возбужденным состояниям атома кадмия таким образом, что около 90 % его в результате излучательно-
столкновитєііьного каскада попадает на метаетабильные 5р3Р состояния атома.
-
Отсутствие генерации на переходе 4d95s2 Ф3/2 -» 4d105p 2Рі/2 нона кадмия с А.= 325,0 нм в условиях ядерной накачки обусловлено паразитным поглощением рабочего излучения метастабильными атомами кадмия на переходе 5р3Р2 -> 7s3Si с сечением 3-10-17 см2. Введение в Не-Cd-смесь электроотрицательной примеси СС14 приводит к перехвату рекомбинациоппого потока молекулярных ионов кадмия на отрицательные ионы примеси, приводящему к снижению концентрации в плазме метастабильных атомов Cd*(5p3P2).
-
Использование смесей ксенона с парами металлов стронция и бария позволяет создать эффективные источники спонтанного линейчатого излучения в сине-зеленой области спектра за счет повышения квантового выхода излучения на нескольких близюгх по спектру переходах.
С научно-практической точки зрения работа является очередным этапом исследования лазеров па парах металлов II группы, а также коротковолнового N2-H2 лазера с накачкой жестким ионизатором. Полученные результаты позволили выделить основные плазмохимические процессы, ответственные за формирование инверсной, заселенности и определить области рабочих параметров и предельные возможности рассмотренных активных сред. Результаты могут быть использованы для постановки экспериментальных работ по созданию УФ лазера с ядерной накачкой на смеси He-Cd-CCLt и источников спонтанного линейчатого излучения в смесях Xe-Sr и Хе-Ва, а также N2-H2 лазера с длиной волны, принадлежащей промежуточной области между ВУФ и мягким рентгеновским диапазонами.
Личный вклад автора:
-участие в постановке задач; -построение кинетических моделей; -численное моделирование активных сред; -анализ результатов численного моделирования;
-ишерпрепщия экспериментальных данных на основе развитых теоретических моделей.
Апробация результатов работы. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на XIV Международной конференции но когерентной и нелинейной оптике КиНО-95 (г. Санкт-Петербург, 1995); IT и Ш Международных конференциях "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" ИЛПАМ-95 и ИЛПАМ-97 (г. Томск); на семинарах ИОФРАН; опубликованы в 11 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Полный объем составляет 172 страницы, включая 48 рисунков, 2 таблицы, приложение и список литературы, насчитывающий 114 наименований.
