Введение к работе
Актуальность темы Проблема создания рекомбннаинонно-нсравновесиов (переохлажденной по пенсии ионизации) плазмы с высокой концентрацией заряженных частиц и одновременно бликой * тепловой знергмеЯ термализованны электронов одна in актуальних в фн-жке нсравновссноЯ низкотемпературной плазмы. С 2о решением свяіано освоение нового уровни исследований в спектроскопии эксниерных и эксшшсксных молекул создание уникальных источников споігтанного и ко^еренззюго игтучения и развитие эффективных плаз іекнмх технологий. Сильно переохлажденная, сушественно нендеальная плазма привлекает внимание исследователей в связи с проблемой шаровой молнии.
Наибольший иіперес представляет не, і-охлажденная плазма как актквм&я среда для лазеров. IJ минувшие два десятилетия сформировался новый класс лазеров - плазменно-рекомбинационные лазеры. Их преимущества связаны с высокнин жеріхтичсскими характеристика ми лазерном излучения иа перехо.'іах тонов и молекул в УФ, видимой- и ИК-областях спектра, а также с гозможностью раднкхчьною продвижения в коротковолновый диапазон ,,а переходах многозарядных ионов.
Основополагающие идеи плазменных junqwe были высказаны Л.И. Гудзеико, Л.А. Шелешшым. "И. Яков, ліко н в дальнейшем последоватеткно развивались в теоретических работах лой школы. В семидесятые годи были разработаны ключевые вопросы физики <шазмсиных лазеров : принципы формирования переоиыжденной шизиы н анхіні механніяов доспгження инверсной насел чности в рекомбкнационно- неравновесной плазме, теория лазеров на электронных переходах разлетных иолекул, проблема усиленіш света в далеком УФ-днапазонс на переходах иногозарядных ионов и создания реактора-лазера. Для реализации квазнезанионарного режима переохлажденной плазмы пре.'шожено использовать возбуждение электронными пучками.
Экспериментальные исследования, несмотря на ряд осуществленных принципиально важных работ, не получили в то імемя непосредственного развития.
Впервые последовательно принцип дішменно-рекоибинаинонного лазера экспериментально реализован в работах Е.Л. Латуша и М.Ф. Сэмг на ионных переходах щелочноземельных элементов. В 1972 1975 гт, запущены лазеры на дни ерах инертных газов к эксинлехеные лазеры, наиболее перспективные по КПД и энергии излучения среди лазероа видішого и ближнею УФ-лиапазонов спектра.
К началу данной работы (1977 г.) определился круг задач по дальнейшему развитию плазменных, лазеров, связанных с поиском и прогнозированием новых активных сред для лазеров видимого диапазона, созданием коротковолновых, в том числе рентгеновских лазеров, моделированием лазерных установок как элемента технологического оборудования. При этом важное место отводилось развитию квазистационарных способов накачки сред на основе смесей плотных газов мощными электронными и ионными пучками, исследованию разлетающейся плазмы лазерноїх» пробоя, созданию эффективных газоразрядных источников возбуждения рекомбннируюшей плазмы. Плодотворной представлялась идея столкновитсльного девозбуждения нижних рабочих уровней легкононизуемон примесью в пеннинговских смесях газов при квазистационариой накачке электронным п\ ікоМ или ядерными осколками.
Однако прямые иопытки получить генерацию в диапазоне >. < 50 ни на переходах нногозарядных ионов без предварительной программы спектроскопических исследований не увенчались успехом. Эксперименты по реализации квазистаиионарного плазменного лазера с пешшнговской очисткой нижних рабочих уровнен атома гелия при пучковой накачке смеси Не - Нг закончились неудачей. Был сделан ошибочный вывод о нереальности квазистацисчарного плазменного лазера с пучковой накачкой, что отрицательно сказалось на развитии пеннинговских плазменных лазеров.
В 80-е годы экспериментальные исследования по плазменным лазерам сосредоточились в основном в нескольких отечественных научных центрах : ИОФ РАН и ФИ РАН (г. Москва); РГУ (г. Ростов-на-Дону); ИСЭ СО РАН, СФТИ и НИИ ЯФ ТПУ (г. Томск), а также Bell Laboratories (New Jersey, USA). Однако в проводимых исследованиях отсутствовал комплексный подход к созданию плазменных лазеров, связанный с изучением параметров активной среды, моделированием механизмов инверсии, прогнозированием лазеров. Рыло осознано, что дальнейшее развитие плазменных лазеров определяется глубоким пониманием физических процессов в переохлажденной плазме как активной среде. В связи с этим среди общих задач физики плазменных лазеров, связанных с выбором схем инверсии, методов ввода энергии и способов охлаждения среды, приоритетной стала проблема формирования переохлажденной плазмы с оптимальными параметрами на основе детальной спектроскопической диагностики ее характеристик и создания активных сред плазменных лазеров. При этом представлялось целесообразный моделирование плазмы в системах газоразрядного типа, допускающих вариацию паза метров и их спектроскопическую диагностику в широком диапазоне условий.
В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы явилось исследование оптических и электр"кинетических свойств переохлажденной
плазмы и создание на се основе активных сред плазменных лазеров оптического диапазона.
Ее конкретная реализацьл предполагала решение следующих задач :
ч разработка с.шгннальных систем возбуждения плазмы;
* развитие методов оптической диагностики рекойбинационно-неравнсесной плазмы;
v спектроскопическое и ^іелояание характеристик излучения и параметров переохлажденной плазмы;
>. поиск эффективных механизмов формирования инверсной населеннотн уровней;
v поиск новых активных сред и новых спектральных переходов для плазменно-рекоибинзниокных лазеров видимой) диапазона;
v разработка макетов лазеров и те алогических приборов на основе переохлажденной плазмы.
По споєну содержанию работа носит комплексный характер и связана с ШЖСХ01' способов получения рскомбшіацмоішо неравновесной плазмы, жспорименіальной диагностикой полного набора параметров плазмы, теоретическим и экспериментальный моделированием физических процессої л активных средах, созданием ачттіянш сред н разработкой лабораторных иакетов плазменных лазеров.
Экспериментальные исследования базируются на оптических иетодж диагностики, основанных на излучении, попюшеь.ш я иитерфережш.. света. Методи теоретического моделирования актииных сред основанії на рассиоірешіи радиациошю-слолкновигельнои кинетики плазмы с использованием современных данных о константах скоростей плазмохишіческіїх процессов.
Работа по теме диссертации была включена в программу ГКНТ "Создание и производство лазерной техники для народного хозяйства" (раздел 05.02). Она являлась основой для выполнения НИР согласно постановлению ГКНТ Ni 2ol от 22.06.78; постановлению ГКНТ н Академии наук Ni S7J/137 от 10.11.85 (программа 0.72.04. раздел 05.115) и № 284 от 04 08.87 г.
Научная актуальность работы подтверждается включением на конкурсной основе проектов автора в республиканскую научно-техническую программу "Наукоемкие технологии" и научные программы Госкомитета по гысшей школе "Фундаментальные проблемы физики фотонов и частиц низких энергий", "Физіиса лазеров н лазерные c..v-теыы", "Фундаментальные проблемы современной физической оптики", "Конверсия и высокие технологии. 1994 1996
IT."
I {АУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: \. Широкопопосный спектр излучения рекомбннационно-неравновесной плазмы гелия при давлениях 50 + '50 Торр в диапазоне Л = 230 + 800 нм формируется за счет новых молекулярных, полос Х,пшх - 370 и 600 нм, возбужденные состояния которых образуются в процессах столкновений с участием мстастабильных атомов Не* и метасгабильной молекулы НеД при этом наблюдаемые полосы связаны с излучением молекулярных ионов Не2*" или Hej** на разлетные термы.
2. Критерием э>гпернментальной реализаиии пеннинговского механизма
образования инверсии в плазменном лазере служит опретеление пороговой
концентрации легкоионизуемой примеси для девозбуждения нижнего н верхнего
уровней спектрального перехода в сое ьегствии с различной скоростью
процесса.
-
Генерационные свойства активных сред иа основе пеннниговских смесей, возбуждаемых сформированным в разряде пучком электронов, в диапазоне параметров N0 = 310" + 7.(0'« см*, N, = 10>* + 10і* см 3, Т, = 0,15 + + 0,5 эВ, Тг = 0,03 4 0,1 эВ определяются квазистациоиариым рехомбинашюнным потоком при столкноБительном охлаждении плазмы атомами и молекулами и девозбуждении нижних уровней в пеннниговских реакциях.
-
Генерация на новых линиях атома гелия X - 667,8 и 728,1 им осуществляется в хвазисташюнарном режиме при возбуждении пенншя~овсхой Не - Нг смеси пучком низкоэнергетичных электронов, в электронно-пучковом плазменной лазере на переходе 585,3 нм неона достигается КПД квазистационарной генерации 0,1 % относительно энерговклада.
-
Генерация в режиме сверхизлучения на % - 585,3 нм и новых линиях атома неона X = 588,1; 650,6 и 653,2 нм реализуется в условиях столкновитеяьного периешнвания Зр - и 3s - уровней атомами Ne и молекулами \\г в лереохлажд<"шон объемно расшігряющейся Ne- Нг плазме, при этой новые активные среды на основе смесей инертных и молекулярных газов повышают мощность пенниинговских Ne - лазеров и КПД генерации в пределах порядка величины.
-
Смена механизмов инверсии при переходе в процессе разлета от перегретой к переохлажденной плазме обеспечивает на "К - 2,03 мкв Xel многопичковый режим генерации с большой (г 20 мке) длительностью лазерного излучения.
Достовср!Юсть результатов работы подтверждается : - применением экспериментальных диагностических методов с известным интервалом погрешностей в измерении параметров плазмы;
- использованием для расчета кинетики плазмы современных теоретических
моделей, сопоставлением экспериментальных данных с результатами теоретического анализа .і численных расчетов;
- непротиворечив стыо экспериментальных данных о параметрах плазмы с
данными других авторов;
- воспроизведением новых экспериментов автора по наблюдению инверсной
населенности уровней ,/ генерации в отечественных и зарубежных лабораториях.
Научая нов<та работы характеризуется рядом впервые проведенных исследований и впервые полученных научных результатов, наиболгев существенные аз которых состоят в следующем:
- экспериментально подтвержден пі сложенный ранее теоретически
пеннинговскнн механизм образования инверсной населенности уровней в
плазменном лазере;
."становлены закономерности формирования иалученил новых молекулярных полос в переохлажденной щшые гелия;
созданы новые активные среды (А. С. N& 1632320) для пеинищ-ово, х плазменных лазеров;
запущены лазеры на новых линиях атомов телня и неона > видимой области спектра, на линиях неона ->ффектнвные;
создаиз кинетическая модель плазмы, образованной сформированный в
разряде пучком электронов с энергией ? 10 кэВ;
- предложен механизм формирования переохлажденной плазмы с
пространственно временной модуляцией параметров (по А. С. Nb
126*450).
Нву-авя ничлмость результатов заключается в следующем : -определен диапазон параметров переохлажденной плазмы. (N, = 10" + * 10' см}, Т, а 0,15 * 0,5 эВ, Тг = 0,03 * 0,1 эВ), оптимальный для формирования активных сред плазменных, лалсрог
- разработан единый подход к созданию активных сред пеннинговских
плазменных лазеров, основанный на анализе н определении констант
сголхиовитсльных процессов, изучении динамики населенностей уровней
н усилительных свойств среды, допускающий прогнозирование новых
активных сред и реализацию новых лазеров;
созданы новые пеннинговсхне лазеры на переходах гелия н неона в видимой области спектра;
- установлен механизм образования широкополосного спектра в плазме
гелия и условия его возбуждения, оптимальные для создания интенсивных
источников излучения в видимом и ближнем УФ диапазоне;
разрабагана методика априорного предсказания инверсной населенности
на спектральном переходе по наблюдению в плазме "инверсного" крюка Рождественского;
предложена и экспериментально обоснована модель нового плазмохимического реактора, высокая эффективность которого для плтзменных технологий обеспечиваебтея процессами возбуждения и ионизации газовой среды сформированным в разряде г;'чкои электронов.
Практическая значимость работы сос.лгг в следующем :
- реализованные активные среды лазеров на основе смесей Ne - Нг - Кг, Ne -
Hj Аг повышают мощность и КПД генерации на Зр - 3s переходах неона по сравнению с Ne - И2 смесью в 3 + Ю раз; -предложенный газоразрядный источник для лазеров на основе тугоплавких металлов, позволяет получить в протяженном объеме пары металлов с концентрацией > 5-Ю14 см \ недостижимой термическим способом;
создав макет сигнального Не - Ne лазера на X = 0,9 + 1,4 мкм Nel, работающего от сети переменного тока с частотой 50 Гц без дополнительных преобразователей;
создан макет малогабаритного плазменного лазера на X = S8S.3 им Nel, возбуждаемого сформированным в разряде электронным пучком, с эффективностью 0,1 % относительно энерговклада;
- разработан лабораторный макет плазмохимического реактора для
прецизионных плазменных технологий; реактор обеспечивает получение в
объеме или доставку на поверхность образца концентрации хнничхжи
активных частиц N = I013 + I014 cu-J, что на несколько порядков величины
превышает параметры, достигаемые в технологичеких установках на
основе тлеющего и ВЧ-разрядов;
- предложенная газовая среда для плазмохимического травления
фоторезиста (положительное решение от 29.09.92 по заявке на патент
№ 5019161 от 15.01.92 совместно с НИИ микроприборов НПО "ЭЛАС", г.
Зеленоград), позволяет в 2 - 3 раза повысить скорость сухого размерного
травления функциональных слоев в производстве микросхем.
Использование результатов работы:
новые данные по спектроскопии плазмы и физике плазменных лазеров
используются на кафедре оптики и спектроскопии в Томском
университете в программах полготовки студентов, аспирантов, соискателей;
разработанные оригинальные источники плазмы использованы для создания новы., активных сред на основе тугоплавких металлов и источников для спектрального анализа (ИОА СО РАН, г. Томск: НИИ ЯФ ТПУ. г Томсх; ТГУ, г. Томск);
результаты исследования 4 «шческих процессов в плазменных лазерах служат основой для улучшения их энергетических характеристик, прогнозирования новых активных сред и используются в отечественных и зарубежных -тучных центрах (ИОФ РАН, г. Москва; ИСЭ СО РАН, г. Томск; Институт физики твердого теча Болгарской АН, г. София). Информация о новых активных сред плазменных лазеров передана в Баюс данных Российского центра лазерной < .ізики, г. Санкт-Петербург.
Рекомендации к внедрению результатов :
- ра'.иботанные источники плазмы могут быть использованы для создания
интенсивных ламп видимого и УФ диапазона спектра, источников для спектрального анализа газовых смесей высокого давления н тугоплавк.а металлов (ГОИ, г. Санкт-Петербург; МЭЛЗ. г. Москва);
- электронно-пучковый плазмохимнческий реактор перспективен для
разработки технологической усга"овки нового поколения и создания
эффективных плазменных технологий в плазыихимин, микроэлектронике,
машиностроении (НИИ миктюприбог в НПО "ЭЛАС", г. Зеленоград*
НИИ ПП, г. Томск; НЗ ПП, г. Новосибирск, MIDT, г. Москва).
Апробяцня работы и публютиоо»
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях:
-
VI и X Сибирские совещания по спектроскопии, 1969 и 1981 гг., г. Томск.
-
III Всесоюзная конференция по газоразрядным прнбсаи, 1970 г., г. Рязань.
-
VII Уральская конференция по спектроскопии, 1971 г., г. Свердловск.
4.1 Всесоюзная конференцій по спектроскопии низкотемпературной плазмы, 1973 г., г. Ленинград.
-
XX Международный коллоквиум по спектроскопии, 1977 г., г. Прага.
-
VIII, IX и XI Всесоюзные конференции .іо фкзнхе электронных н атомных
столкновений, I98J г., г. Ленинград; 1984 г., г. Рига; 1991 г., г. Чебоксары.
7. Всесоюзный семинар "Лазеры на парах металлов и их применение", 1982,1985
н 1993 гг., г. Ростов-на-Дону.
8. Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы, 1983 г., г.
Ленинград; 1987 г., г. Ташкеїгг. I99S г., г. Петрозаводск.
9. XIX и XX Всесоюзные съезды по спектроскопии, 1983 г., г. Томск; 1988 г., Г.
Киев.
-
III Всесоюзный симпозиум "Динамика элементарных атомно-нолекулярных процессов", 1985 г., г. Черноголовка.
-
Всесоюзное совещание "Инверсная заселенность и генерация на переходах атомов и молекул", 1986 г., г. Томск.
-
Всесоюзный семинар "Физика быстропротекающнх плазменных процессов",
1986 г., г. Гродно,
13. Рабочее совещание "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров",
1987 г„ г. Гродно.
-
V и VI Всесоюзные конференции "Оптика лазеров", 1987 и 1991 гг., г. Ленинград; VllI Conf. "Laser optics"95", Sankt-Petersburg, I99S г.
-
Всесоюзный семинар "Процессы с участием возбужденных атомов", 198? г., г, Ленинград.
-
Всесоюзный семинар " Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров", 1988 и 1989 гг., г. Лохусалу.
-
XIII и ХГГ Международные конференции по когерентной и нелинейной оптике, 1988 г., г. Минск; 1991 г., г. Ленинград.
-
Всесоюзная конференция по физике газового разряда, 1990 г., г. Омск.
-
Международный симпозиум "Плазменные и лазерно-стимулированные процессы в микроэлектронике", 1990 г., г. Ростов Великий.
20.1 и II Международные конференции "Импульсные лазеры на переходах
атомов и молекул", 1992 и 1995 гг., г. Томск. 21. Международная научно-техничекая конференция по использованию
результатов коїшерс» и пауки в вузах Сибири для международного
сотрудничества (СИБКОНВЕРС95), 1995 г., г. Томск. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, 4 научных обзорах, 40 статьях, 5 авторских свидетельствах и 1 положительном решении на патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения и. заключения общим объемом 303 стр., содержит 102 рисунка, II таблиц. Обзор литературных данных распределен по соответствующим главам и содержит 268 наименований.
Материалы диссертации отражают личный вк^ад а..тора в решаемую проблему. Все исследования, определившие защищаемые положения и новизну работы выполнены по инициативе и под руководством автора. Разработка
новых источников плазмы осуществлена в соавторстве с [Муравьевым И.ЙТ). которому в их создании, а также запуске плазмодннамнческого лазера принадлежит определяющая роль.
