Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Многие научные и технические применения эксимерных лазеров в значительной степени зависят от качества пучка, его спектральных, пространственных и энергетических характеристик, длительности и формы импульса генерации. Такие особенности эксимерных электроразрядных лазеров, как малые времена существования инверсной населенности и большие длины активных сред, приводят к тому, что управление их пространственными и спектральными характеристиками вызывает определенные трудности и требует разработки таких способов, которые не столь критичны к числу обходов излучения по резонатору. Ранее в лазерах, характеризующихся относительно большими временами существования инверсной населенности активных сред, для управления расходимостью излучения использовался самофильтрующий конфокальный неустойчивый резонатор. Однако оставалась не подтвержденной экспериментально принципиальная возможность формирования при малых коэффициентах увеличения расходимости пучка близкой к дифракционной за небольшое число обходов излучением резонатора. Кроме того, из-за сферичности распространяющихся внутри резонатора волн актуальным является развитие методов управления спектром генерации лазера, когда работа селектирующих элементов не критична к форме фронта падающей волны.
Увеличение диапазона генерируемых длин волн позволяет значительно расширить возможности применения эксимерных лазеров. Высокоэффективным и часто используемым методом частотного преобразования является вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) излучения в сжатых газах. Важное значение имеет исследование процесса ВКР-преобразования для установления возможности управления в широких пределах характеристиками лазерного излучения. Повышение эффективности ВКР связано с поиском оптимальных выходных характеристик системы излучатель - преобразователь. Высокие плотности мощности световых потоков, распространяющихся в газовой среде, наряду с преобразованием в основные стоксовые и антистоксовые компоненты приводят к проявлению и других нелинейно- оптических процессов. Для установления влияния на эффективность преобразования этих конкурирующих процессов возникает необходимость исследования ВКР- преобразования в условиях интенсивной накачки.
Изучение физических явлений, происходящих при воздействии лазерного излучения на различные материалы, необходимо с точки зрения многочисленных технологичных применений. Одним из достоинств эксимерных лазеров является то, что их спектр генерации находится в области сильного поглощения света большинством материалов. Эффективность процесса поглощения повышается в условиях, когда частота излучения совпадает с частотой электронного перехода атомов и молекул, на которые производится воздействие. Вопрос влияния спектрального состава падающего излучения на параметры эрозионного факела требует дальнейшего рассмотрения. Представляет интерес сравни-
2 тельный анализ влияния резонансного и нерезонансного воздействий на процесс образования плазмы.
Связь с крупными научными программами, темами
Исследования проводились в рамках общесоюзных и республиканских государственных научно-технических программ: "Лазер 2.70" (1985г.) тема "Разработать и передать НТО АН СССР техническую документацию и опытные образцы автоматизированных лазерных приборов для исследования кинетики быстропротекающих процессов и контроля состава вещества", № госрегистрации 81101704; "31.01Р Белоптика" (1992-1995гг.), тема "Эксимерные лазеры с прецизионными характеристиками и ВКР-преобразователи частоты их излучения; "Природопользование и охрана окружающей среды" (1997-1998гг), тема "Применение излучателя на основе эксимерного лазера в лидарной системе контроля высотного распределения озона", № госрегистрации 19972254; государственных программ фундаментальных исследований: "Плазма 2.26" (1986-1990гг.), тема "Разработка методов и аппаратуры для определения элементного и молекулярного состава веществ", № госрегистрации 01860044042; "Лазер 3.34" (1991-1995гг.), тема "Разработка физических принципов, методов и аппаратуры управления пространственно-временными и спектральными характеристиками источников УФ-излучения, основанных на эксимерных лазерах и нелинейных преобразователях частоты"; "Квант 07" (1995-2000гг), тема "Разработка физических принципов управления длительностью импульсов излучения электроразрядных эксимерных лазеров, основанных на использовании магнитных переключателей и нелинейных газоплазменных преобразователей частоты излучения"; и по программам Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований: № Ф8-091 (1994-1996гг), тема "Разработка способов стимулирования физико- химических превращений в неравновесных лазерно- плазменных средах"; № Ф95-110 (1996-1998гг), тема "Физико- химические процессы в неравновесных плазменных средах в режимах образования кластеров; проблемы получения и диагностики", № госрегистрации 19963831; № Ф95-106 (1996-1998гг), тема "Разработка методов управления пространственными и спектральными характеристиками излучения лазеров с неустойчивыми резонаторами, аподизирующими диафрагмами и нелинейными преобразователями частоты излучения", № госрегистрации 19963829. Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы являлось установление закономерностей и разработка методов и аппаратуры управления пространственными, временными и спектральными характеристиками источников УФ излучения, основанных на эксимерных лазерах и ВКР- преобразователях частоты в сжатом водороде, и оптимизация условий получения и диагностики плазмы при воздействии концентрированных световых потоков на различные материалы.
Для выполнения поставленной цели исследования требовалось решить следующие задачи:
выяснить особенности формирования диаграммы направленности излучения электроразрядного ХеС1- лазера с малым временем существования инверсной населенности активной среды в зависимости от параметров неустойчивого конфокального самофильтрующего резонатора;
определить условия сужения спектра и стабилизации длины волны генерируемого излучения частотно- периодического ХеС1- лазера с плазменной фазово- поляризационной ячейкой внутри резонатора;
исследовать процесс ВКР- преобразования УФ-излучения на вращательных и колебательных переходах в газообразном водороде с возбужденных состояний молекул комбинационно- активной среды, заселяемых в процессе развития оптического пробоя;
изучить особенности образования плазмы при резонансном и нерезонансном воздействиях излучения лазера; установить различие спектральных характеристик плазменного факела в зависимости от длины волны излучения, воздействующего на металлическую поверхность.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования являлось взаимодействие концентрированных потоков излучения с веществом, а предметом исследования - эксимерный электроразрядный ХеС1-лазер, ВКР- преобразователь его излучения на сжатом водороде и плазма, создаваемая при воздействии световых потоков на поверхность твердых тел.
Методология и методы проведенного исследования Управление выходными характеристиками эксимерного лазера с малым временем существования инверсной населенности и ВКР- преобразование его излучения в сжатом водороде проведены методами оптики, спектроскопии и квантовой электроники. Лазерно- индуцированная флуоресценция, эмиссионная спектроскопия с разрешением по времени и зондовые измерения применялись при проведении диагностики плазмы, возникающей вблизи поверхности твердых тел.
Научная новизна и значимость полученных результатов
Полученные результаты углубляют существующие представления о механизмах формирования потоков излучения в эксимерных лазерах с малым временем существования инверсной населенности, ВКР- преобразовании в условиях оптического пробоя и динамике формирования компонентного и зарядового состава в эрозионной плазме, а также представляют практический интерес и могут быть использованы в нелинейной оптике, плазмохимии, при решении аналитических задач.
Впервые для ХеС1- лазера с самофильтрующим неустойчивым конфокальным резонатором с коэффициентом увеличения > 2 экспериментально доказана возможность формирования диаграммы направленности, близкой к дифракционному пределу, не более чем за два обхода излучением резонатора. При этом пучок имеет круговую симметрию, гладкое, близкое к гауссовому поперечное распределение интенсивности.
Показано, что при помощи резонансного фазово- поляризационного метода при использовании в качестве внутрирезонаторного селектора плазмы тлеющего разряда с алюминиевым полым катодом достигается эффективное сужение спектра частотно- периодического XeCl- лазера с 0,85 до 0,003 нм и обеспечивается стабилизация длины волны лазерного излучения в пределах доплеров-ского контура, которая при других способах сужения спектра требует специальных устройств для исключения механических и температурных возмущений.
Установлено, что на стадии развития лазерной искры снижается коэффициент преобразования в компоненты попутного ВКР из основного состояния молекул. С повышением эффективности ВКР, которое достигается за счет увеличения длины рассеивающей среды или введения обратной связи, создаются условия для дискриминации оптического пробоя, либо полного его подавления.
Впервые показано, что на начальной стадии развития оптического пробоя в сжатом водороде при ВКР- преобразовании интенсивного частично деполяризованного излучения XeCl- лазера на колебательных и вращательных переходах молекул генерируется большое число (около 30) спектральных компонент в диапазоне от 245 до 631 нм.
На примере лазерного распыления алюминия излучением эксимерного ХеС1-лазера и его стоксовыми компонентами в сжатом водороде впервые обнаружен ограниченный диапазон значений плотности мощности излучения, при котором влияние резонансного поглощения в приповерхностной плазме становится доминирующим. Установлено примерно двукратное снижение порога плазмооб-разования при резонансном воздействии лазерного излучения на алюминий.
Показано, что основным механизмом увеличения заселенности возбужденных состояний атомов алюминия, эмитируемых с поверхности алюминиевой мишени под действием излучения XeCl-лазера, является резонансное поглощение и ионизация с последующей столкновительной рекомбинацией.
Практическая значимость полученных результатов
На основании проведенных исследований по разработке методов управления выходными характеристиками излучения эксимерного лазера и в соответствии с условиями технических заданий хозяйственных договоров №690 (1986г.), №780 (1987г.), №804 (1988г.), выполненных в ИФ АН БССР, были разработаны, изготовлены и поставлены заказчикам два электроразрядных XeCl- лазера и одна лазерная система (задающий генератор и усилитель) с малой расходимостью пучка излучения и узкой линией генерации.
Разработанная и изготовленная система эксимерный лазер - ВКР- преобразователь вошла в состав лидарного комплекса мониторинга стратосферного озона по методу дифференциального поглощения, которая создана по заданию 4.3.7.1. Государственной научно- технической программы "Природопользование и охрана окружающей среды" и установлена в лаборатории оптики рассеивающих сред Института физики НАН Беларуси.
Установлено существование оптимальных мощностных и пространственных характеристик излучения системы ХеС1-лазер - ВКР-преобразователь, обеспечивающих максимальное ВКР- преобразование в стоксовые компоненты.
На основании проведенных исследований разрушения металлических фолы под действием излучения ХеС1- лазера с неустойчивым телескопическим резонатором оптимизированы условия сверления цилиндрических отверстий малого диаметра (20 мкм) в пластинках из нержавеющей стали толщиной 100-500 мкм и разработана технология изготовления жиклеров для дозированного напуска газов в приборах газовой хроматографии по заказу предприятия "ОПТРОН" в г. Минске.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
При использовании самофильтрующего конфокального неустойчивого резонатора с малым коэффициентом увеличения формируется близкая к дифракционному пределу расходимость излучения электороразрядного ХеС1- лазера с малым временем существования инверсной населенности не более чем за два обхода излучением резонатора.
-
Использование резонансного фазово- поляризационным метода и плазмы тлеющего разряда с полым катодом из алюминия в качестве внутрире-зонаторного селектора позволяет достичь сужения спектра более чем на два порядка и стабилизировать длину волны линии генерации частотно-периодического ХеС1- лазера в пределах доплеровского контура спектральной линии атома алюминия, вне зависимости от механических и температурных возмущений резонатора.
-
Генерация многочастотного ВКР- излучения на вращательных и колебательных переходах молекул водорода под действием высокоинтенсивных потоков частично-деполяризованного излучения ХеС1- лазера эффективно развивается на начальной стадии формирования оптического пробоя в результате столкновительного заселения верхних уровней молекул комбинационно-активной среды.
-
Резонансный характер воздействующего излучения ХеС1- лазера приводит к дополнительному увеличению концентрации ионов вблизи поверхности алюминиевой мишени, достигающей при определенных условиях двукратной величины, и проявляется в ограниченном диапазоне плотности мощности.
Личный вклад соискателя Содержание диссертации отражает личный вклад автора в постановку задач (совместно с научными руководителями), подготовку и проведение исследований, обработку полученных результатов, их анализ и интерпретацию. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Другие соавторы публикаций по теме диссертации занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.
Апробация результатов диссертации Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: Республиканской конференции молодых ученых по спектроскопии и квантовой
электронике (Паланга, 1987г.); VII Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с веществом, (Ленинград, 1988г.); 3-ей Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом" (Москва, 1988г.); VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990г.); Европейской конференции по квантовой электронике (Эдинбург, 1991г.); Международной конференции "Оптика лазеров 93" (С.-Петербург, 1993г.); Республиканской конференции "Научное и аналитическое приборостроение" (Минск, 1995г.); Международной конференции "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1995г.); Международной конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, 1995 г.); Международной конференции 29EGAS (Берлин, ФРГ, 1997г.); Международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1997г.); Международной конференции "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1997г.); Республиканской конференции молодых учёных по квантовой электронике (Минск, 1994г.); Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998г.); Международной конференции "European Materials Research Society Spring Meeting E-MRS'98 (Страсбург, Франция, 1998); YI Международной конференции ECAMP (Сиена, Италия, 1998г.). Опубликованность результатов
Основные результаты диссертации опубликованы в 29 научных работах, среди которых 14 статей, 14 тезисов докладов, 1 препринт. Общий объем опубликованных материалов составляет 100 страниц. Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырёх глав, заключения и списка использованных источников.
Объём диссертации составляет 146 страниц, в том числе 97 страниц текста, 64 иллюстрации на 31 странице, 5 таблиц, 16 страниц списка использованных источников, включающего 215 наименований.
