Введение к работе
Актуальность проблемы.
Генерация когерентного излучения к настоящему времени реализована на самых разнообразных активных средах и на многих тысячах лазерных переходов с применением различных способов накачки лазерных уровней и механизмов создания инверсии. Однако сравнительно небольшое число лазеров широко используется, в основном, благодаря их высокой эффективности, хорошим энергетическим параметрами и эксплуатационным характеристикам, требуемому диапазону длин волн генерации. Поэтому задача поиска новых эффективных лазерных сред и исследования механизмов их генерации остается актуальной для квантовой радиофизики. В процессе поиска создаются не только принципиально новые типы лазеров, но и обогащаются фундаментальные разделы физической науки, что делает такие исследования тем более ценными и актуальными.
Из всех типов лазеров самым обширным, пожалуй, является класс газовых лазеров; они перекрывают наиболее широкий диапазон длин волн генерации от мягкого рентгена до миллиметровых волн, им присуще большое разнообразие физических процессов, задействованных для накачки и создания инверсии, они обеспечивают наилучшее качество излучения и обладают рекордными достижениями по ряду параметров. Из многих же способов накачки газовых лазеров наиболее удобным, и потому имеющим наибольшее практическое значение, является газоразрядный, при котором активной средой является низкотемпературная плазма.
Для инверсии населенностей необходимо, чтобы активная среда была в существенно неравновесном состоянии, то есть чтобы распределение населенностей по возбужденным уровням значительно отличалось от больцма-новского, задаваемого электронной температурой Те . В плазме различают два типа неравновесности: ионизационную и рекомбинационную. Ионизационной называется такая, когда Те в плазме выше равновесной для данной степени ионизации. Поэтому в данном режиме степень ионизации плазмы нарастает, либо, если режим стационарный, наблюдается отток заряженных частиц, скажем, за счет амбиполярной диффузии, на стенки трубки. Ионизационный режим характерен для лазеров, работающих на переднем фронте импульса возбуждения (самоограниченные лазеры) или в непрерывном режиме в разреженных газах. В таком режиме преимущественный поток атомов движется снизу вверх по уровням энергии, и усиление света, таким образом, наблюдается в процессе ионизации газа.
Противоположным типом является рекомбинационная неравновесность, когда Те оказывается ниже равновесной для данной степени ионизации и происходит уменьшение плотности плазмы, т.е. ее рекомбинация. Здесь поток атомов по возбужденным состояниям движется сверху вниз, и инверсия наблюдается при переходе от плазмы к состоянию нейтрального
газа. То есть генерация осуществляется преимущественно вслед за импульсом возбуждения в послесвечении разряда, когда процессы рекомбинации преобладают над процессами ионизации. Или, если режим стационарный, то ионизация осуществляется пучком быстрых частиц (электронов или протонов), а основная масса электронов остается холодной и поэтому интенсивно рекомбинирует с ионами.
Лазеры с первым типом неравновесности называют ионизационными, со вторым — рекомбинационньши лазерами. В принципе, ионизационная и рекомбинационная неравновесности обладают сопоставимыми возможностями в создании инверсии населенностей. Рекомбинационная даже выглядит предпочтительней, так как поток накачки идет от верхних уровней к нижним, а не наоборот, как при ионизационной неравновесности. Но, поскольку большинство исследованных к началу настоящей работы газовых лазеров относились к ионизационному типу, долго существовало предубеждение в отношении перспектив рекомбинационной накачки. Однако теоретическими работами Л.И. Гудзенко, Л.А. Шелепина и СИ. Лковленко с сотрудниками и экспериментальными исследованиями, обобщенными в данной диссертации, сомнения в отношении больших возможностей рекомбинационных лазеров развеяны.
Таким образом, актуальность данной работы состоит прежде всего в экспериментальном обосновании эффективности рекомбинационной неравновесности для накачки и создания инверсии в газовых лазерах; в реализации большого числа рекомбинационных лазеров, генерирующих в том числе и в коротковолновой области спектра. Это придало значительный импульс поиску и исследованию рекомбинационных лазеров разных типов во многих других лабораториях, и сейчас это довольно обширный класс лазеров, обеспечивающих хорошие выходные характеристики от ИК до рентгеновского диапазона, и число рекомбинационных лазеров продолжает увеличиваться.
Цель диссертационной работы состояла в поиске рекомбинационных активных сред и исследовании газоразрядных рекомбинационных лазеров преимущественно на смесях инертных газов с парами химических элементов, причем предпочтение отдавалось ионным лазерам, обеспечивающих генерацию в видимой и ближней УФ области спектра.
Основные задачи научных исследований:
поиск новых лазерных переходов в газах и парах химических элементов с акцентом на тех из них, где инверсия и генерация обеспечиваются за счет рекомбинации;
исследование возможности накачки за счет рекомбинации плазмы уже известных лазерных переходов;
исследование физических процессов, особенностей механизмов накачки и создания инверсии в рекомбинирующей плазме;
- поиск и экспериментальная реализация новых способов и типов воз
буждения газоразрядных рекомбинационных лазеров;
- оптимизация выходных характеристик наиболее эффективных из
вновь открытых лазеров, перспективных для практического применения;
- обоснование перспектив возможных применений созданных рекомби
национных лазеров и практическая реализация некоторых из их.
Научная новизна диссертации определяется рядом впервые полученных научных результатов и оригинальных исследований, наиболее существенные из которых следующие:
-
Сформулированы и экспериментально обоснованы общие требования к расположению лазерных уровней для создания инверсии и эффективной накачки в условиях рекомбинационно-неравновесной плазмы; выявлены особенности рекомбинационной накачки переходов многозарядных ионов.
-
Доказана важная роль электронного девозбуждения в формировании или срыве инверсии населенностей уровней, особенно в послесвечении разряда.
-
Впервые экспериментально обнаружена реакция перезарядки с ионизацией - один из эффективных процессов создания двукратных ионов лег-коионизуемых элементов.
-
Впервые получена генерация в общей сложности на 89 новых лазерных переходах в спектрах атомов и ионов различных элементов и доказано, что на 46 из них генерация осуществляется при накачке рекомбинацией, на 33 - с накачкой перезарядкой, на б - передачей возбуждения от метастаби-лей, на 4 - с накачкой электронным ударом. Кроме этого, получена генерация еще на 15 лазерных переходах, уже известных ранее, но впервые полученных в рекомбинационном режиме.
-
Открыты эффективные ионные рекомбинационные лазеры на парах стронция (Х430.5 и 416,2 нм) и кальция (Ш3,7 нм и 370,6 нм); подробно исследован и обоснован рекомбинационно-столкновительный механизм накачки уровней и создания инверсии населенностей в них.
-
Впервые предложено использовать явление катафореза в импульсно-периодических лазерах на парах металлов для введения и равномерного распределения активных атомов; на примере He-Sr рекомбинационного лазера продемонстрирована высокая эффективность этого метода для создания малогабаритных импульсных кагафорезных лазеров на парах металлов.
-
Осуществлена квазирезонансная оптическая накачка в уширенное давлением далекое крыло (отстройка от центра линии 4 нм) резонансной линии таллия 377,6 нм излучением рекомбинационного Не-Са (А373,7 нм) лазера с получением сверхсветимости на линии А.535 нм Тії.
Научная и практическая значимость диссертационной работы.
Наибольшую научную значимость имеет общий вывод, следующий из всей совокупности результатов данной работы, что рекомбинация газоразрядной плазмы является эффективным и весьма распространенным механизмом накачки возбужденных уровней, способным обеспечить инверсию и генерацию на многих переходах в спектрах ионов и нейтральных атомов. Это подтверждено в работе экспериментально получением многих новых линий генерации в нейтральных и ионных спектрах различных элементов, работающих в рекомбинационном режиме и излучающих, в том числе, в коротковолновой области спектра.
Практическая значимость определяется тем, что ряд результатов работы имеет несомненную ценность для разработки практичных образцов открытых в работе He-Sr(Ca) рекомбанационных лазеров и свидетельствуют о хороших перспективах их применений; из них наиболее важными представляются:
создание методики расчета тепловых режимов He-Sr(Ca) лазеров, из которой, в частности, следует, что в трубках с принудительным охлаждением предельный энерговклад в разряд может достигать —13-14 кВт/м , а погонная средняя мощность генерации -14 Вт/м;
результаты комплексных исследований по оптимизации выходных характеристик He-Sr(Ca) рекомбинационных лазеров с продольным разрядом, важнейшими из которых являются разработка простых и удобных для практического использования лазерных трубок с саморазогревом на уровень выходной средней мощности ~ 1-1,5 Вт на Л430,5 нм Sill и Я.373,7 нм Call, в том числе отпаянных активных элементов, совместимых с блоком питания серийно выпускаемого лазера на парах меди; достижение рекордной средней мощности генерации 3,9 Вт от He-Sr лазера с водяным охлаждением; (созданные автономные макеты He-Sr и Не-Са лазеров были награждены серебряной и бронзовой медалями ВДНХ СССР);
демонстрация эффективности использования явления катафореза в импульсно-периодических лазерах на парах металлов: получение рекордной удельной средней мощности генерации 277 мВт/ см3 при средней мощности - 0,5 Вт от He-Sr катафорезного лазера;
демонстрация перспективности применения рекомбинационных лазеров на стронции и кальции для оптической накачки различных активных сред: получение сверхсветимости на А535 нм Тії при квазирезонансной оптической накачке смеси Т1-Не излучением рекомбинационного Не-Са лазера (1373,7 нм); осуществление впервые генерации на 14 длинах волн молекулы Те2 в желто-красной области спектра при накачке He-Sr (Я.430,5 нм) лазером; генерация перестраиваемого излучения в желто-зеленой области спектра на растворе красителя при накачке He-Sr лазером;
результаты проведенных исследований были использованы при разработке промышленных образцов рекомбинационных лазеров на парах строи-
ция и кальция в НИИ ГРП (г. Рязань); разработанные нами активные элементы рекомбинационного лазера на стронции были применены в лазерных проекционных системах телезизионного изображеігая в ИОФ РАН и ФИ РАН (г. Москва).
*
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, обеспечиваются:
комплексным применением нескольких современных методов исследования лазеров н диагностики газоразрядной плазмы, взаимно дополняющих и контролирующих друг друга;
тщательным сопоставление результатов теоретического анализа и математического моделирования с экспериментальными данными;
независимым экспериментальным и теоретическим подтверждением большинства результатов и выводов во многих других лабораториях и исследовательских группах у нас в стране и за рубежом.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Электронное девозбуждение играет важную роль в формировании
населенностей ионных уровней металлов в разряде, и, в зависимости от рас
положения уровней, способствует созданию инверсии населенностей на од
них переходах и срывает ее на других.
2. Эффективная генерация в рекомбинационном режиме обеспечивает
ся, если расположение лазерных уровней яерехода удовлетворяет следую
щим общим требованиям:
верхний лазерный уровень должен быть одним из нижних в верхней группе близкорасположенных уровней;
нижний лазерный уровень должен быть одним из верхних в нижней группе близкорасположенных уровней;
нижний лазерный уровень не должен располагаться слишком близко к основному состоянию.
Кроме того, уровень Те должен быть как можно ниже, а пе должна быть достаточно высокой, так чтобы вероятность электронно-столкнови-тельных переходов внутри групп превосходила вероятность оптических. Именно при таком расположении уровней электронное девозбуждение способствует концентрации накачки на верхнем лазерном уровне и эффективной очистке нижнего. Эти требования сохраняют силу и при накачке лазерных уровней ударами второго рода при столкновениях тяжелых частиц в послесвечении разряда.
3. Экспериментально обнаруженная в работе реакция перезарядки с ио
низацией является важным дополнительным источником двукратно заря
женных ионов металлов как в течение импульса тока, так и в послесвечении
разряда, что подтверждается измерениями сечений этой реакции при взаи
модействии ионов инертных газов со всеми щелочноземельными металлами.
4. Результаты исследований по поиску новых лазерных линий в спек
трах атомов и ионов различных элементов и установление механизмов гене
рации, итогом которых явилось получение генерации на 89 переходах в ИК,
видимой и УФ области спектра, в том числе:
- на 35 ионных переходах щелочноземельных металлов, алюминия,
олова и свинца, а также на 7 переходах нейтрального спектра ртути в по
слесвечении импульсного газового разряда; доказательство рекомбинацион-
ного механизма их накачки со свойствами, хорошо согласующимися со
сформулированными в работе общими принципами накачки уровней и соз
дания инверсии в рекомбинирующей плазме;
на 33 ионных и на 4 нейтральных линиях серебра и меди при разряде в полом катоде с накачкой ионных линий за счет перезарядки атомов металла на ионах гелия или неона, атомных линий - за счет рекомбинации в послесвечении разряда;
на 6 ионных лазерных переходах Aril, KrII, ХеП при квазинепрерывном разряде в полом катоде на смесях газов He-Аг, He-Kr, Ne-Xe и Ne-He-Xe с накачкой ступенчатой реакцией передачи возбуждения от метастабилей гелия или неона ионам тяжелых инертных газов;
на 4 линиях в спектре ТШІ с накачкой электронным ударом.
Кроме того, генерация была осуществлена на 14 длинах волн молекулы Те2в желто-красной области спектра при оптической накачке излучением He-Sr рекомбинационного лазера. Таким образом, суммарное количество новых линий генерации составило 103.
5. Результаты комплексных исследований механизма работы He-Sr ла
зера с X = 430,5 и 416,2 нм и Не-Са лазера с X = 373,7 нм и 370,6 нм, доказы
вающих что:
накачка лазерных уровней обеспечивается тройной электрон-ионной рекомбинацией ионов Sr++(Ca'H) в послесвечении разряда; ионы Sr^Ca*4) создаются главным образом электронным ударом во время импульса тока и частично за счет реакции перезарядки с ионизацией в импульсе тока и в послесвечении;
инверсия населенностей достигается за счет электронного девозбуж-дения, обеспечивающего дополнительное заселение верхнего и расселение нижнего лазерных уровней.
6. Для реализации генерации на переходах многозарядных ионов (Z>3)
с накачкой тройной рекомбинацией в условиях продольного импульсного
разряда необходимо использовать малые давления газа (< 0,5 Тор); при этом,
наряду со столкновениями с атомами и ионами гелия, существенное значе
ние приобретает механизм охлаждения электронов за счет амбиполярной
диффузии. Именно в таких условиях впервые получена генерация в реком-
бинационном режиме на 3-х переходах ОШ и 9-ти переходах XelV в види
мой и УФ области спектра.
-
Подтвержденная экспериментально методика расчета тепловых режимов и средних выходных мощностей генерации He-Sr(Ca) лазеров, из которой следует, что, во-первых, основной вклад в отвод тепла от лазерных трубок без принудительного охлаждения дает тепловое излучение (~70%), остальное обеспечивает теплопроводность и конвективное охлаждение, во-вторых, в трубках с принудительным охлаждением предельный энерговклад в разряд может достигать ~13-14 кВт/м , а погонная средняя мощность генерации ~14Вт/м.
-
Результаты цикла исследований по оптимизации выходных характеристик He-Sr(Ca) рекомбинационных лазеров с продольным разрядом, важнейшими из которых являются - разработка простых и удобных для практического использования лазерных трубок с саморазогревом на уровень выходной средней мощности ~ 1 Вт на Х.430,5 нм SrII и Я373.7 нм Call, достижение рекордной на настоящее время средней мощности генерации 3,9 Вт от He-Sr лазера с водяным охлаждением.
-
Явление катафореза целесообразно использовать для создания эффективных и удобных в обращении импульсно-периодических лазеров на парах металлов с продольным разрядом, что доказывается экспериментами с He-Sr катафорезным лазером с рекордным уровнем удельной средней мощности генерации 277 мВт/ см3.
-
При разряде в полом катоде реализуется импульсная и непрерывная генерация на нескольких ИК переходах SrII и СаП с накачкой перезарядкой на ионах криптона; в РПК с предыонизацией и малым межэлектродным расстоянием — генерации на рекомбинационной линии А430,5 нм SrII; и в открытом разряде в смеси He-Kr-Sr реализуется совместная генерация на самоограниченных Х1033, 1092 нм SrII, перезарядочных А.1087, 1123,1202 нм SrII и рекомбинационной Я430,5 нм SrII линиях стронция.
-
Фиолетовое и УФ излучение лазеров на парах стронция и кальция перспективно для оптической накачки других активных лазерных сред, что доказывается получением сверхсветимости на Х535 нм Тії при квазирезонансной оптической накачке смеси TI-Не излучением рекомбинационного Не-Са (Х.373,7 нм) лазера; осуществлением генерации на 14 новых лазерных переходах молекулы Те2 в желто-красной области спектра при накачке He-Sr (Я430.5 нм) лазером; генерацией перестраиваемого излучения в желто-зеленой области спектра на растворе красителя при накачке He-Sr лазером.
Личный вклад автора. Материалы диссертации отражают личный вклад автора в проблему газоразрядных рекомбинационных лазеров на парах металлов. В исследованиях, определивших защищаемые положения и выводы диссертации, автору принадлежат постановка задач, инициатива проведения и руководство экспериментами или расчетами, а также объяснение или интерпретация полученных результатов; в большинстве случаев ав-
тор принимал непосредственное участие в экспериментах, составлении математических моделей и в проведении расчетов.
В то же время автор приносит большую благодарность всем сотрудникам, соавторам научных работ, аспирантам и студентам, обеспечившим неоценимый, порой решающий вклад в реализацию многих идей автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из девяти разделов, включая введение и заключение, приложения и списка литературы. Она содержит 345 страниц текста, включающие 18 таблиц , 90 рисунков (на 62 страницах), список литературы из 452 наименований, в том числе 97 работ автора.
