Введение к работе
Актуальность темы. Изучение физических процессов в рекомбинацнонно - неравновесной (переохлажденной по степени ионизации) плазме представляет интерес в связи с возмо» костями создания на ее основе плазменных лазеров с высокими энергетическими характеристиками, а также радикального продвижения в коротковолновую область спектра. Физические основы плазменных лазеров и перспективные направления их развития были сформулированы а теоретических работах Л.И.Гудзенко, Л.А.Шелепнна, С.И.Яковленко. Уже первые запуски лазеров показали перспективность рекомбинационного принципа создания инверсной населенности уровнен и поставили плазменные лазеры в ряд эффективных. Так экенплексные лазеры УФ-днапазона за короткое время достигли высоких энергетических характеристик и нашли широкое практическое приложение. Физические принципы плазменного лазера экспериментально были обоснованы также запуском лазерна видимого диапазона на ионных переходах щелочноземельных элементов в работах Е.Л.Латуша и М.Ф.Сэма.
В связи с прогрессом техники ввода энергии в газ (электронный н ионный пучкн, ядерные осколки, лазерный пробен, модификации импульсных разрядов) были запушены мощные ИК-лазеры на переходах атомов Хе, а также пеннннговскне плазменные лазеры в видимой области спектра. При этом успешные пучковые эксперименты стимулировали новую волну работ по электроразрядной накачке неоновых пешшиговскнх лазеров. Однако, в этих работах практически отсутствовала диагностика пара метров плазмы и механизмов формирования икзерсной населенности уровней. Было даже неясно, насколько глубоко ионию охладить злеэтроны плазмы. Перспективы дальнейшего развития плазменных лазеров связаны с исследованием и оптимизацией параметров само» плазмы, как активной среды. '
Целью настоящей работы, начатой в 1984 г., явилось экспериментальное исследование свойств рекомбинационно-неравновесной плазмы, выявление основных механизмов формирования инверсии и оптимизация активных сред плазменных лазеров на атомарных переходах Ne и Хе при возбуждении смесей і- 'ртных и молекулярных газов в объемно расширяющейся плазме.
Ее конкретная реализация предполагала решение следующих задач:
разработка источников рекомбшшрующей плазмы
- развитие методик диагностики
* спектроскопическое исследование оптических и элсктрокннети-
чсских свойств плазмы
- исследование механизмов формирования инверсной населен
ности уровней
. - оптимизация активных сред и поиск новых лазерных переходов.
Работа по теме диссертации выполнялась в рамках научных программ согласно постановлению ГКНТ и АН СССР №537/137 от 10.11.85 г. ( программа 0.72.04, раздел 05.115 ) и №284 от 04.08.87 г., а также научно-технических договоров с ИОФ РАН.
Научная актуальность работы подтверждена также включением на конкурсной основе проектов по теме диссертации в республиканскую научно-техническую программу "Наукоемкие технологии" и научные программы Госкомитета РФ по высшей школе "Физика лазеров и лазерные системы", "Фундаментальные проблемы современной физической оптики". Научные положения, выносимые на защиту:
1. Диапазон параметров обгемно расширяющейся плазмы б Ne-H2 и Не-Хе смесях: No = 3 10" - 2 10«» см3, Nc = 10м - Ю>« см -> , Т* =0,2 - I эВ, Тг - 0,05 - 0,2 эВ является оптимальным для формирования активных сред плазменных лазеров на 3p-3s переходах атома неона и 6p-5d переходах атома ксенона.
2. Результаты исследований оптических и электрокинетическнх
свойств объемно расширяющейся плазмы, как активной среды Ne-
плазменных лазеров:
а) квазистационариый режим генерации с энергией 150 мкДж
реализуется на Я, =585,3 нм Ne в Ne-Нг смеси при соотношеїгаи
Ne: His 1:1;
б) активные среды на основе тронных смесей инертных и
молекулярных газов Ne- Нг - Y ( Y= Аг, Кг, Хе, N2 , СО2) обеспечивают
повышение мощности и КПД генерации на X ~ 585,3 нм Ne в пределах
порядка величины;
в) генерация в режиме лзерхизлучення на новых линиях атома
неона в видимой области спектра A. = 5S8,1; 650,6 н 653,2 им наблюдается в
условиях столкновителыюго перемешивания Зр- а Зз-уровней атомами Ne и
молекулами Нг.
3. Многопнчкозый режим генерации на X = 2,03 мкм Хе с смеси
Не-Хе обусловлен сменой механизмов формирования инверсии в процессе
объемного расширения плазмы, а также влиянием метастабилшых
состояний.
4. Спектр рекомбннационно-неравновеспой плазмы гелия в
диапазоне Я = 230-800 нм содержит контшшумы с X та* = 370 и 600 нм,
связанные с излучением ионных молекулярных комплексов.
Научная новизна работы заключается в следующем :
исследован механизм формирования широкополосного молекулярного излучения плазмы гелия п видимой области спектра;
выявлены услозня образования объемно расширяющейся плазмы с пространственно-временной модуляцией параметров;
реализована генерация в режиме сверхизлучепил на новых 3p-3s переходах атома неона в видимой области спектра;
- исследованы новые активные среды для Nc-иешіинговских
плазменных лазеров;
- исследован механизм многопичковой генерации на X = 2,03 мкм
Xel в термодинамически противоположных относительно равновесия
условиях возбуждения.
Достоверность результатов подтверждается:
- непротиворечивостью экспериментальных данных о параметрах плазмы с результатами других авторов;
- реализацией режимов генерации лазерного излучения в условиях
экспериментального наблюдения инверсной населенности уровней.
Практическая ценность работы:
- получен большой объем спектроскопической информации о
пар;! метрах рекамбинаииокно-нераеновесной плазмы в смесях инертных и
молекулярных газов;
разработан высокоинтенсивный источник широкополосного
излучения инертных газов в видимом и УФ- диапазоне спектра ( А.С. №
1266450);
созданы многокомпонешгные активные среды на основе смесей
инертных и молекулярных газоо. повышающие мощность и КПД генерации
лазера на К = 585.3 нм Ne по сравнению с Ne-Hj смесью в 3-10 раз (А.С.
fk і 632320). Разработан лабораторный макет Ne-лазсра иа X = 585,3 им;
- предложена Ne-Oi газовая среда для плазмохииического
травления полимерных материалов (положительное решение от 29.09.92 г.
но заявке на патент ^Й50!9161 от 15.01.92 г.). позволяющая по сравнению с
чистым кислородом в 2-3 раза повысить скорость трааяеиия фоторсіиста в
производстве микросхем.
Апробащш работы и публикации. Материалы, ьощедшне в диссерта-лига, доложены и обсуждены на следующих конференциях:
І. И Всесоюзная конференция молодых ученых и специалист«п "Теоретическая и прикладная оптика", 1986 г„ г .Леиииграл
2. Всесоюзное совещание "Инверсная заселенность и генерация на
переходах атомов и молекул", 1986 г., г.Томск.
3. Рабочее совещание "Активные среды плазменных и
газоразрядных лазеров", 1987 г., г.Гродно.
4. Всесоюзный семинар "Процессы с участием возбужденных
атомов",1988 г., г.Ленинград.
5. XX Всесоюзный съезд по спектроскопии, 1988г., г.Киев.
-
Всесоюзный семинар " Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров", 1989 г., г.Лохусалу.
-
Всесоюзный семинар "Лазеры на парах металлов и нх применение", 1989 и 1993 г.г., г.Ростов-иа-Дону.
8. V Всесоюзная конференция по физике газового разряда, 1990 г.,
г.Омск.
-
Международный симпозиум "Плазменные и лазерно-стимулированные процессы в микроэлектронике", 1990 г., г.Ростов Великий.
-
XI Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений (Х1-ВКЭАС), 1991 г., г.Чебоксары.
П. I и И Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул", 1992 и 1995 г.г., г.Томск.
Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях, 7 тезисах докладов, 2 авторских свидетельствах и 1 положительном решении на патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения и заключения. Работа содержит 149 стр., 50 рисунков, 5 таблиц и 155 наименований в списке литературы, СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
