Введение к работе
Диссертация посвящена комплексному исследованию кинетики процессов, определяющих накачку и инверсию населенностей на переходах в спектрах нейтральных атомов, одно- и многозарядных ионов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, а также поиску новых перспективных активных сред рекомбинационных лазеров и способов их возбуждения. Основные результаты этих исследований представлены в публикациях [1-78].
Актуальность темы. Рекомбинационные лазеры - лазеры, инверсная заселенность в которых возникает в период рекомбинации плазмы, обладают рядом привлекательных черт, обеспечивших в последнее время их интенсивное развитие. В первую очередь могут быть отмечены потенциальная возможность ввода в плазму высоких плотностей энергии и получения высоких выходных мощностей, а также возможность возбуждения в рекомбинирующей плазме переходов в спектрах не только атомов и ионов, но также и многозарядных ионов, что перспективно для создания лазеров коротковолнового диапазона.
Наиболее удобным и распространенным способом возбуждения рекомбинационных лазеров является газоразрядный способ. Рекомбинационные газоразрядные лазеры обладают всеми достоинствами, присущими газоразрядным лазерам. Они имеют достаточно простую конструкцию, их излучение обладает высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью, узкой линией генерации. Импульсный режим возбуждения рекомбинационных лазеров позволяет достигать высокого усиления как правило на нескольких переходах и тем самым обеспечивать во многих активных средах одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра. Применение им-пульсно-периодического режима с высокой частотой следования импульсов позволяет достигать высоких значений как импульсной, так и средней мощности генерации. При этом в рекомбинационных лазерах на парах металлов (ЛПМ) использование режима саморазогрева решает задачу ввода паров в активную среду и обеспечивает достаточно высокий практический КПД, а наличие эффекта расконтрагирования разряда позволяет обеспечивать пространственную однородность активных сред при высоких давлениях вплоть до нескольких атмосфер. Высокие выходные характеристики и возможность генерации высококачественного излучения в широком диапазоне длин волн от мягкого рентгеновского до ИК диапазона делает рекомбинационные газоразрядные лазеры перспективными для многих практических применений.
Плазма, служащая активной средой газоразрядных лазеров, является термодинамически неравновесной. По отклонению от равновесия различают перегретую (ионизационно-неравновесную) и переохлажденную (рекомбина-ционно-неравновесную) плазму. Поскольку степень ионизации, как правило, не является равновесной, то состояние плазмы можно классифицировать по отклонению степени ее ионизации от равновесного значения для данной электронной температуры. Если плазма имеет недостаточную для равновесия степень ионизации, то плазма преимущественно ионизуется, в противном случае преобладают процессы рекомбинации заряженных частиц. Лазеры на переох-
лажденной плазме обычно называют рекомбинационными или плазменными, а лазеры на перегретой плазме - газовыми.
Впервые возможность использования рекомбинирующей плазмы в качестве активной среды для лазеров была показана в теоретических исследованиях Л.И. Гудзенко, Л.А. Шелепина, СИ. Яковленко с сотрудниками, которые к началу 1970-х годов оформились в самостоятельное научное направление. Примерно в это же время начались систематические целенаправленные экспериментальные исследования рекомбинационных лазеров, и одними из первых были работы, проводившиеся Е.Л. Латушем и М.Ф. Сэмом с сотрудниками в Ростовском государственном университете. Результаты этих работ послужили стимулом к постановке исследований рекомбинационных лазеров во многих других лабораториях в нашей стране и за рубежом. Исследования показали, что наряду с рекомбинационными процессами существенную роль в накачке ряда ионных лазерных переходов в рекомбинирующей плазме играют удары 2 рода (перезарядка, реакция Пеннинга, резонансная передача возбуждения), которые в условиях рекомбинационно-столкновительной кинетики увеличивают, начиная с некоторого уровня, рекомбинационный поток, проходящий по уровням энергии сверху вниз. В настоящей работе исследовались активные среды как с рекомбинационной накачкой, так и с накачкой ударами 2 рода в рекомбинирующей плазме.
К началу данной работы (1982 г.) рекомбинационные газоразрядные лазеры уже сформировались как самостоятельный класс лазеров. В то же время стало очевидным, что перспективы дальнейшего развития рекомбинационных лазеров связаны с необходимостью глубоких комплексных исследований свойств и характеристик их активных сред. Также определился круг задач этих исследований. Исследования, представленные в диссертации, продолжают исследования рекомбинационных лазеров, начатые научной группой Ростовского государственного университета (в дальнейшем Южного федерального университета). В них отражен научный вклад автора в развитие этого направления.
Объектами данных исследований являются активные среды наиболее эффективных лазеров на ионных переходах, накачиваемых в рекомбинирующей плазме процессами рекомбинации и ударами 2 рода (He-Sr+, Не-Са+, Не-Hg+, He-Cd+, Не-Кг+ лазеры), а также лазеров на переходах нейтральных атомов (Ne-H2 и He-Hg лазеры) и многозарядных ионов (ТІШ, ОШ и XelV).
Предметом этих исследований являются физические механизмы, определяющие накачку и инверсию в период рекомбинации плазмы, общие закономерности, присущие активным средам рекомбинационных газоразрядных лазеров, оптимальные способы и условия их возбуждения.
Актуальность исследований определяется тем, что они позволяют расширить набор длин волн генерации, получить одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра, в том числе в коротковолновом диапазоне, установить механизмы накачки и инверсии, найти пути повышения выходных характеристик и способы оперативного управления ими, определить достижимые характеристики генерации, выявить общие закономерности,
присущие активным средам, прогнозировать оптимальные параметры возбуждения рекомбинационных лазеров и их выходные характеристики. Плазма ре-комбинационных газоразрядных лазеров отличается большим разнообразием происходящих в ней элементарных процессов взаимодействия частиц, а также наличием таких явлений, как контракция, расконтрагирование, катафорез. Детальные исследования этих процессов и явлений также представляют интерес для смежных областей - физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.
Цель диссертационной работы. В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы являлись комплексные экспериментальные и теоретические исследования кинетики процессов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, направленные на поиск новых перспективных активных сред рекомбинационных газоразрядных лазеров на переходах атомов, одно- и многозарядных ионов и способов их возбуждения, установление физических механизмов, формирующих инверсию в период рекомбинации плазмы, определение достижимых характеристик генерации, выявление закономерностей, присущих активным средам, и определение оптимальных условий их возбуждения.
Основные задачи научных исследований. Конкретная реализация цели работы предполагала решение следующих задач:
экспериментальное исследование активной среды Ne-H2 лазера при возбуждении в различных типах разряда; исследование продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами как способа возбуждения активных сред (в частности, Ne-Нг, Не-Кг+ и He-Cd+ лазеров), сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом;
поиск новых рекомбинационных лазерных переходов в спектре Hgl; комплексное исследование механизмов формирования инверсии на переходах HglnHgll;
экспериментальное исследование возможности осуществления реком-бинационной накачки уровней многозарядных ионов (в частности, уровней ТІШ, ОШ, XelV) в плазме сильноточного импульсного разряда; поиск рекомбинационных лазерных переходов в спектрах многозарядных ионов;
экспериментальная оптимизация саморазогревных He-Sr+ и Не-Са+ лазеров различных геометрических размеров, поиск общих закономерностей, присущих их активным средам; создание отпаянного экспериментального образца Не-Са+ лазера; анализ возможных практических применений рекомбинационных лазеров;
разработка и тестирование самосогласованных математических моделей He-Sr+ и Не-Са+ лазеров; численное исследование пространственно-временных характеристик активных сред, в том числе исследование механизмов явлений контракции и расконтрагирования импульсно-периодического разряда;
- комплексное исследование механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик He-Sr+ и Не-Са+ лазеров, поиск путей повышения выходных характеристик и способов оперативного управления ими, определение достижимых характеристик генерации;
- комплексное исследование возможности осуществления катафорезного ввода паров металлов в активные среды лазеров на парах металлов в условиях продольного импульсно-периодического разряда; экспериментальная реализация катафорезных импульсно-периодических He-Cd+ и He-Sr+ лазеров.
Научная новизна работы определяется поставленными задачами и рядом впервые полученных научных результатов. К наиболее существенным можно отнести следующие новые результаты:
Впервые получена и исследована генерация на переходе )-=585,3 нм Nel в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом и продольного разряда; установлено, что основным механизмом накачки при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, механизмом очистки нижнего уровня - реакция Пеннинга на водороде.
Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами как способ возбуждения активных сред рекомби-национных лазеров, сочетающий свойства продольного разряда и разряда с полым катодом. Впервые при возбуждении в этом разряде получена и исследована генерация в рекомбинирующей плазме на переходах Nel (А.=585,3 нм), KrII (^=469,4; 458,3 и 431,8 нм), Cdll (А=441,6; 533,7 и 537,8 нм).
Впервые получена и исследована генерация на 7 ИК переходах Hgl, установлен рекомбинационный механизм накачки. Установлено эффективное заселение перезарядкой уровней бейтлеровского спектра Hgll, определены парциальные сечения перезарядки ионов гелия на атомах ртути; показано, что основными механизмами накачки в рекомбинирующей плазме являются ударно-радиационная рекомбинация для Х=567,1 нм Hgll и перезарядка для ).=615 нм Hgll, а вклад в накачку ступенчатой реакции Пеннинга пренебрежимо мал.
Впервые получена и исследована генерация на 4 переходах ТИП ().=468, 482, 770 и 806 нм) в ионизационном режиме возбуждения; получена и исследована генерация при рекомбинационной накачке на 3 переходах ОШ и на 9 переходах XelV УФ и видимого диапазона; установлено, что ступенчатая ионизация играет преобладающую роль в создании ионов высокой кратности, а основными механизмами охлаждения электронов в послесвечении являются упругие электрон-ионные соударения и диффузионное охлаждение.
Установлены общие закономерности, присущие активным средам са-моразогревных He-Sr+ ().=430,5 нм SrII) и Не-Са+ ().=373,7 нм Call) лазеров; установлены механизмы, ограничивающие рост энергетических характеристик генерации.
Установлены механизмы явлений контракции и расконтрагирования в активных средах He-Sr+(Ca+) лазеров, а также основные закономерности, свойственные этим явлениям.
Впервые теоретически обоснован и экспериментально реализован ка-тафорезный ввод паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металлов, в том числе при больших давлениях (до 1 атм). Найдены обобщенные критерии аксиальной и радиальной однородности их активных сред. Впервые при катафорезном вводе паров получена и исследована
импульсно-периодическая генерация на переходах Cdll (А=441,6; 533,7 и 537,8 нм) и на переходе Л,=430,5 нм SrII.
Научная значимость полученных в работе результатов состоит в следующем:
показана эффективность рекомбинирующей газоразрядной плазмы как активной среды лазеров на переходах атомов, одно- и многозарядных ионов;
разработаны теоретические основы для создания эффективных реком-бинационных лазеров, в том числе коротковолнового диапазона, и экспериментально обоснованы пути их практической реализации;
найдены новые перспективные активные среды и способы их возбуждения, установлены физические механизмы, определяющие свойства и характеристики активных сред рекомбинационных лазеров;
установлены закономерности, присущие активным средам рекомбинационных лазеров, определены оптимальные условия их возбуждения, найдены критерии пространственной однородности активных сред, определены достижимые характеристики генерации;
созданы лазеры нового типа - катафорезные импульсно-периодические лазеры на парах металлов;
результаты работы могут представлять интерес при исследованиях широкого класса газоразрядных лазеров, а также для физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.
Практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты могут являться основой при разработке и создании рекомбинационных лазеров с высокими выходными характеристиками, перспективных для практических применений, а также могут быть использованы при дальнейших, в том числе прикладных, исследованиях рекомбинационных лазеров. К наиболее важным можно отнести следующие из таких результатов:
1. Проведены комплексные исследования по разработке и оптимизации рекомбинационных лазеров, в результате которых:
достигнуты максимальные для рекомбинационных лазеров частоты следования импульсов 30-50 кГц и рекордные для He-Sr+ (А=430,5 нм SrII) лазеров удельная средняя мощность 277 мВт/см3 и коэффициент усиления 0,15 см" ;
достигнут рекордный для Ne-H2 (1=585,3 нм Nel) лазера коэффициент усиления 160 дБ/м;
расширен набор длин волн генерации за счет новых лазерных переходов - 7 ИК переходов Hgl и 4 видимых и ИК переходов ТИП;
реализована одновременная многоволновая генерация на переходах Sri и SrII (Л.=6,456 и ~3 мкм Sri; \~1 и 0,4305 мкм SrII), KrII (А=469,4; 458,3 и 431,8 нм), Cdll (А,=441,6; 533,7 и 537,8 нм), ОШ (Х=375,5; 376,0 и 559,2 нм), XelV (Х=335,0; 430,6; 495,4; 500,8; 515,9; 526,0; 535,3; 539,5 и 595,6 нм);
показана перспективность сильноточного импульсного разряда как способа реализации активных сред рекомбинационных лазеров коротковолнового диапазона на переходах многозарядных ионов;
показана перспективность катафорезного ввода паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металлов; разработана практическая конструкция катафорезного импульсно-периодического Не-Sr+ (1=430,5 нм SrII) лазера;
показана перспективность продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами, сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом, как способа возбуждения активных сред рекомбина-ционных лазеров;
разработан отпаянный экспериментальный образец (макет) Не-Са+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию (1=373,7 нм Call) с уровнем средней мощности 0,3 Вт (макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР).
Найдены пути повышения выходных характеристик He-Sr+(Ca+) лазеров и способы оперативного управления ими, определены достижимые характеристики генерации.
Разработаны самосогласованные математические модели He-Sr+(Ca+) лазеров, которые могут применяться как инструменты исследований кинетики активных сред, а также для прогнозирования оптимальных параметров возбуждения и выходных характеристик.
Разработана основанная на установленных для саморазогревных Не-Sr+(Ca+) лазеров закономерностях методика расчета оптимальных параметров возбуждения и характеристик генерации, которая может применяться при анализе и систематизации результатов экспериментов, а также при инженерных расчетах активных элементов и схем их импульсного возбуждения.
Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппроксимационные формулы для форм-фактора в центре линий со смешанным фойгтовским контуром, имеющие низкую погрешность (<6% и
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Результаты экспериментальных исследований Ne-H2 лазера:
впервые генерация на переходе Л.=585,3 нм Nel получена и исследована в рекомбинирующеи плазме разряда с полым катодом, продольного разряда, а также продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами;
установлено, что основным механизмом накачки в рекомбинирующеи плазме при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, а основным механизмом очистки нижнего уровня является реакция Пеннинга на водороде.
Результаты комплексных исследований механизмов, формирующих инверсию населенностей на полученных новых лазерных переходах в спектре Hgl, а также на переходах Hgll в рекомбинирующеи плазме.
Результаты экспериментальных исследований возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов и генерации в спектрах многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде.
4. Результаты экспериментальных исследований саморазогревных He-Sr
(^.=430,5 нм SrII) и Не-Са+ (^=373,7 нм Call) лазеров, включающие установ
ленные закономерности:
существование оптимального давления гелия обусловлено ограничением скорости охлаждения электронов при больших давлениях вследствие греющего воздействия заднего фронта импульса тока; оптимальное давление соответствует примерному равенству длительности заднего фронта импульса тока и времени охлаждения электронов в раннем послесвечении;
оптимальным является энерговклад в разряд, одновременно обеспечивающий достаточно высокий процент двукратной ионизации атомов металла и согласование лазерной трубки со схемой накачки путем достижения необходимой величины сопротивления плазмы.
Разработанные самосогласованные математические модели He-Sr+ и Не-Са+ лазеров, позволяющие рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме.
Результаты исследований механизмов явлений контракции и раскон-трагирования в активной среде He-Sr лазера.
7. Результаты комплексных исследований катафорезных импульсно-
периодических лазеров на парах металлов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, научных положений и выводов определяется применением современных методов исследований и их комплексным характером, воспроизводимостью результатов, взаимным соответствием результатов экспериментов и теоретического анализа, практической реализацией научных положений и выводов при создании эффективных рекомбинационных лазеров, а также согласием с данными других авторов.
Реализация результатов работы. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводившихся кафедрой квантовой радиофизики ЮФУ в период 1982-2008 гг., а также в ходе выполнения ряда проектов в области фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных грантами: Минобразования (№Е20-3.2-157), ФЦП «Интеграция» (проект №582), РФФИ (№ 96-02-19750, № 99-02-17539, №04-02-96804, №06-02-26126). Полученные в работе результаты нашли отражение в научно-технических отчетах по выполненным НИР. Результаты проведенных исследований и разработанные активные элементы рекомбинационных лазеров используются на физическом факультете ЮФУ при выполнении НИР и в учебном процессе в программах подготовки студентов, магистрантов и аспирантов. Некоторые результаты работы были использованы при совместных с ТГУ (г. Томск) исследованиях многоволнового лазера на парах стронция. Разработанные активные элементы использовались в качестве инструментов научных исследований, проводившихся в ЮНЦ РАН и НИИ ФОХ ЮФУ (г. Ростов-на-Дону).
Личный вклад автора. В исследованиях, представленных в диссертации, автору принадлежат инициатива проведения исследований, постановка
задач, анализ и интерпретация полученных результатов. Результаты экспериментальных и теоретических исследований получены лично автором либо при его определяющем участии. Разработка математических моделей и численные эксперименты проводились под руководством и при непосредственном участии автора. На различных этапах исследований в постановке некоторых конкретных задач и обсуждении результатов принимали участие Е.Л. Латуш и М.Ф. Сэм.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях (включая 22 статьи в российских журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций). Кроме того, ряд материалов диссертации представлен в научно-технических отчетах, а также отражен в учебно-методических работах автора.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
XIX Всесоюзный съезд по спектроскопии. (Томск, 1983); Всесоюзное совещание «Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах» (Томск, 1986 г.); Рабочее совещание «Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров» (Гродно, 1987 г.); Международный симпозиум «Pulsed Metal Vapour Lasers» (Великобритания, Сэнт Андрюс, 1995 г.); 5-й Санкт-Петербургский семинар-выставка «Лазеры для медицины и биологии» (Санкт-Петербург, 1997 г.); Всероссийская конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2000 г.); III Международная научно-техническая конференция «Квантовая электроника», (Минск, 2000 г.); Симпозиум «Нанофотоника», (Черноголовка, 2007 г.); Всесоюзные и Всероссийские семинары и симпозиумы «Лазеры на парах металлов» (Ростов-на-Дону, Новороссийск, Туапсе, Сочи, 1985, 1989, 1991, 1993, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008 г.); 3-я, 4-я, 5-я, 6-я, 7-я и 8-я Международные конференции «Atomic and Molecular Pulsed Lasers» (Томск, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 г.), 9-й Российско-китайский симпозиум «Laser Physics and Laser Technologies» (Томск, 2008 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и двух приложений. Она содержит 414 страниц, включая 144 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 534 наименований, из них 78 - работы автора.
