Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО КОРОТКОВОЛНОВЫМ ЛАЗЕРАМ 10
1. Введение 10
2. Методы прямого получения когерентного излучения....13
-
Возбуждение электронным ударом о основного состояния 13
-
Рекомбинационное возбуждение. 18
-
Перезарядка атомарных частиц 20
-
Возбуждение с помощью фотопоглощения 21
2.5. Лазеры на свободных электронах 23
3. Методы, основанные на нелинейном преобразовании
частоты 25
4. Системы с двухэтапным возбуждением 29
4.1. Схемы с накоплением энергии на метастабиль-
ных уровнях ионов 29
4.2. Схемы с накоплением возбуждения на метаста-
бильных автоионизационных уровнях 32
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ НАКАЧКИ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ УФ
ЛАЗЕРОВ 38
1. алектроразрядный газовый лазер с наносекундной
оистемой предионизации 38
2. Газовый секционированный лазер с продольным
возбуждением 45
-
Конструкция и электрическая схема лазера 45
-
Выходные параметры УФ излучения при использовании молекулярного азота в качестве активной среды 49
ГЛАВА 3. ВОЗМОМОСТЬ СОЗДАНИЯ КОРОТКОВОЛНОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДУФ
.ДИАПАЗОНА НА ПЕРЕКОДАХ МЕВДУ АВТ0И0НИЗАВД0ННЫМИ И
ОБЫЧНЫМИ УРОВНЯМИ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ 55
1. Возможность создания столкновителыгах ДУФ лазеров
в смесях гелия с калием 56
-
Рабочие уровни и вероятности их распадов 56
-
Плотность атомов в автоионизационных квартетных состояниях калия в плазме 59
-
Усиление ДУФ излучения 62
1.4. Возможность получения прямого усиления 68
2. Возможность получения коротковолновой генерации
в смеси Jle-Rt) 69
3. Заселение метастабильных состояний лития и натрия
в реакциях перезарядки 71
-
Система Li'L' 72
-
Система Jfa-Jfa 74
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЯДА В СМЕСЯХ
ГЕЛИЯ С КАЛИЕМ 77
1. Спектр излучения KI в разряде в области 50-80 нм...77
2. Плотность атомов гелия в возбужденных состояниях
в смеси с парами калия в импульсном разряде полого
катода 83
-
Экспериментальная установка 84
-
Калибровка регистрирующей системы 87
-
Характеристики импульсного разряда 89
-
Измерение концентраций возбужденных атомов гелия 89
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 102
Введение к работе
Актуальность темы. За последние годы интенсивно развиваются исследования лазеров, работающих в коротковолновых областях спектра. Значительная часть работ посвящена проблемам создания лазеров, излучающих в дальнем ультрафиолетовом (ДУФ) и рентгеновском диапазонах35, которые могут найти широкое применение в науке и технике: для создания и диагностики плазмы, для микролитографии, топографии кристаллов и т.д.. Коротковолновые лазеры дадут возможность создать голографическую микроскопию и методы проецирования изображений биологических и других объектов и различных молекулярных соединений.
В настоящее время в ДУФ диапазоне имеются источники когерентного излучения, основанные на методах нелинейного преобразования частоты. Однако малая мощность выходного излучения и крайне низкая эффективность преобразования лазерного излучения накачки подчеркивает необходимость создания альтернативных источников коротковолнового излучения. Среди различных направлений исследований в этой области, весьма перспективным является изучение новых систем на парах щелочных металлов с целью получения лазерного излучения при радиационном распаде автоионизационных состояний.
Целью работы является:
I. Оптимизация и исследование характеристик электроразрядных газовых УФ лазеров с использованием молекулярного азота в качестве активной среды. ж В определении пределов коротковолновых диапазонов в научной литературе существуют расхождения. В настоящей работе к ДУФ диапазону мы будем относить излучение в области длин волн 3-100 нм.
Исследование возможностей создания лазеров в ДУФ диапазоне путем заселения автоионизационных долгоживущих уровней щелочных металлов.
Изучение спектра излучения разряда смеси паров калия с гелием в области длин волн 50-80 нм.
Экспериментальное исследование плазмы импульсного разряда полого катода смеси паров калия с гелием с целью определения концентраций возбужденных атомов гелия.
Научная новизна.
1. В диссертации впервые исследована возможность осущест вления ДУФ генерации на парах калия и рубидия путем заселения долгоживущих автоионизационных уровней этих элементов в реак циях столкновения с метастабильными атомами гелия и неона, соответственно. Рассмотрено также заселение автоионизационных долгоживущих состояний лития и натрия в реакциях перезарядки с возбужденными метастабильными ионами этих же элементов.
С помощью лазеров накачки можно получить излучение вынужденного комбинационного рассеяния (БКР) в ДУФ области при переходах между верхними автоионизационными и нижними обычными уровнями щелочных металлов. Для очистки нижних рабочих уровней, наряду с фотоионизацией в континуум, предложено использовать режим послесвечения импульсного разряда.
При изучении спектра излучения калия в диапазоне 50-80 нм в разряде смеси пЄ "К били, идентифицированы две впервые наблюденные спектральные линии, которые соответствуют радиационному распаду долгоживущих автоионизационных состояний калия.
Предложен метод определения концентраций атомов гелия на возбужденных уровнях с использованием значений относитель- ных интенсивностеи спектральных линий. Этот метод применен для диагностики плазмы смеси гелия с парами калия.
4. Усовершенствованы конструкции и электрические схемы электроразрядных УФ лазеров.
Практическая ценность.
Проведенные в диссертации исследования могут быть использованы для разработки лазеров в области длин волн 20-80нм на атомах и ионах щелочных металлов - Li ,Уа , К * Ко , работающих на основе реакций атомных столкновений или перезарядки.
Предложенные конструкции для УФ лазеров применимы при использовании в качестве активного газа молекулярного азота или водорода, различных эксимерных молекул и т.д.
Метод определения концентраций атомов гелия в возбужденных состояниях может быть использован для диагностики гелиевой плазмы (или плазмы со смесью гелия) при электронных концентрата ТД —Я циях пе ~ 10х -10 хм , когда модели локального термодинамического равновесия ( Пеї> 10 см"3) или коронального равновесия (Пе 1Срсм"3) не дают адекватного описания процессов в плазме.
На зашиту выносятся основные результаты диссертации, изложенные в конце настоящей работы (см. стр. 99-100).
Личный вклад автора. В работах [8-ю] автор выполнил измерения, провел обработку и анализ полученных результатов. В остальных работах исследования выполнены автором самостоятельно, с помощью собранных им экспериментальных установок.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на Международной конференции по лазерам /г.Новый Орлеан, США., 1982г./, XI Всесоюзной конф. по когерентной и нелинейной оптике /г.Ереван, 1982г./, УІ Все- союзной конф. по физике БУФ излучения /г.Москва, 1982г./, школе-семинаре по лазерам на парах металлов и их. применению /г.Ростов-на-Дону, 1982г./, Республиканской конф. молодых ученых по физике /г.Бюракан, 1983г./, IX Всесоюзной конф. по физике атомных и электронных столкновений /г.Рига, 1984г./, П Всесоюзном совещании по физике электронного пробоя газов /г.Тарту, 1984г./, совещании по нелинейной фотоионизации сложных атомов /г.Ужгород, 1984г./, а также на ежегодных Республиканских совещаниях по нелинейному взаимодействию света с атомами, проводимых в ИФИ АН Арм.ССР /г.Аштарак, І98І-І984гг./.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 работ [і-ІЗ].
Объем работы, диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 118 страниц машинописного текста, 23 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 155 наименований.
КРАТКОЕ ООДЕЕШЖЕ РАБОТЫ.
В первой главе приведен критический обзор работ, посвященных проблемам и перспективам получения когерентного излучения в коротковолновых - ДУФ и мягком рентгеновском областях спектра. Результаты как теоретических, так и экспериментальных работ указывают на существование серезных трудностей на пути к этой цели. Это, в первую очередь, отсутствие материалов для создания эффективных резонаторов и вывода излучения в диапазоне І-ІООнм и, кроме того, затруднения, связанные с необхомо-стью увеличения плотности мощностей вкладываемых в активную среду и, следовательно, значительными усложнениями конструкций экспериментальных установок. Отдельно рассмотрены основные направления исследований - различные способы осуществления пря- мой генерации, методы нелинейного преобразования частоты, схемы с двухэтапной накачкой.
Вторая глава посвящена изучению характеристик электроразрядных установок для коротковолновых лазеров. Исследуются параметры простой конструкции для предварительной ионизации газоразрядного промежутка в лазерах, работающих на основе двойных формирующих линий (ДФЛ). Система предварительной ионизации не требует дополнительных накопительных элементов или коммутатора и позволяет увеличивать мощность выходного УФ излучения молекулярного азота. Исследованы также электрическая цепь и принципы работы малогабаритного секционированного лазера, состоящего из наложенных друг на друга ДФЛ и работающего с помощью одного коммутатора. Такая конструкция существенно увеличивает удельный энерговклад, что дает возможность получать большие значения коэффициента усиления лазерного излучения молекулярного азота.
В третьей главе предложены различные схемы лазеров на парах щелочных металлов с излучением в области длин волн -20-80НМ. Детально исследуется возможность создания лазеров на парах калия в смеси с гелием при заселении квартетных автоионизационных состояний калия в реакциях столкновения с метаста-бильными атомами гелия. Далее энергия с этих состояний переводится на верхние рабочие дублетные автоионизационные уровни с помощью импульса мощного лазера накачки. Нижние рабочие уровни, которыми являются обычные возбужденные состояния калия, опустошаются как излучательно (в послесвечении импульсного разряда), так и с помощью фотоионизации лазерным излучением. Проведенные оценки показывают, что при давлении гелия несколько тор и плотности паров калия ~31гсм , возможно получение усиления 0,1-Ісм"*1 на соответствующих длинах волн ДУФ генерации. Плотности мощностей лазеров накачки при этом должны составить 106-1010 Вт/см2.
Для заселения квартетного автоионизационного уровня рубидия предложено использовать столкновительную передачу энергии от метастабильных атомов неона. Исследованы также схемы с использованием реакций перезарядки возбужденных ионов лития или натрия. В результате этих реакций могут эффективно заселяться долгоживущие автоионизационные состояния соответствующего щелочного металла.
Четвертая глава посвящена спектроскопическому изучению разряда смеси гелия с парами калия. В первом, параграфе исследовано излучение разряда в ДУФ области спектра. Зарегистрированы семь линий, которые соответствуют радиационным переходам с квартетных автоионизационных уровней КІ. Три из них - 77,82; 69,14 и 55,45нм были наблюдены впервые, а две (77,82 и 69,14нм) были также надежно идентифицированы.
Во втором параграфе измерены концентрации возбужденных атомов гелия с главным квантовым числом П = 2,3,4 в смеси с парами калия в импульсном разряде с полым катодом. С увеличением плотности паров калия Мк концентрация возбужденных атомов гелия уменьшается из-за реакций пеннинговской ионизации. Показана возможность создания относительно больших концентраций метастабильных атомов гелия ( ~ ІСр-ІО^см""3) даже при Жк ~ Ю16см~3.
