Введение к работе
Актуальность темы:
Лазеры на галогенвдах инертных газов известны достаточно давно и нашли к настоящему времени широкое применение в научных исследованиях, медицине и технологии. Вместе с тем, по мере расширения области применения лазеров возрастают требования к мощности, ширине полосы генерации и расходимости лазерного луча. Для некоторых применений необходима перестройка линии генерации, либо точная ее фиксация. вблизи заданной частоты. При проектировании подобных лазеров неизбежно возникает вопрос о принципиальной возможности достижения заданных параметров, или, другими словами,. о физических ограничениях, присущих той или иной системе.
Основные физические процессы, влияющие на выходные характеристики лазера, практически невозможно выделить, исходя непосредственно из результатов эксперимента на реальном лазере. Естественным путем прояснения физической картины представляется моделирование активной среды лазера на ЭВМ на основании сведений об элементарных процессах и сравнение результатов расчета с экспериментом. При этом адекватность модели проверяется на большом количестве разнообразных данных, и в случае успеха исследователь получает детальную информацию об изучаемой системе. Наличие надекной модели позволяет с определенностью указать на принципиальные физические ограничения в выходных характеристиках, а также дать рекомендации по оптимизации отдельных параметров лазера.
Среди лазеров на галогенидах инертннх газов лазер на молекуле ХеР занимает осоОое место. Он имеет наибольшую среда эксимеров длину волны генерации ( переход В-Х: 351-353 нм ), нижнее состояние X обладает самой большой среда эксимерных молекул энергией "связи (1170 см ). По этой причине сечение вынужденного излучения этого перехода - наибольшее среда галогенидов инертных газов, что определяет наинизшии среди эксимеров уровень накачки, при котором в активной среде существует усиление. Так, в ряде экспериментов был зарегистрирован положительный коэффициент усиления при накачке лазера импульсным ядерным реактором мощностью до 5 кВт/см [ 1 3. Другой активно используемый переход С-А является связанно-разлегным с максимумом интенсивности около 480 нм. Эта область спектра является интересной в связи с тем, что она совпадает с максимумом прозрачности вода. Лазеру на переходе С~А также уделяется в последнее время большое внимание.
Численному моделированию XeF лазера посвящены работы [2,3,4], дающие удовлетворительное описание основных характеристик лазера: КПД и выходной мощности. Однако целый ряд давно известных специалистам зависшостей выходных параметров от условий работы лазера не получили к настоящему времени однозначного объяснения. Например, повышение КПД ХеР лазера при увеличении температуры рабочей смеси [53 и мощности накачки (63, сопровождающееся соответствующим изменением спектра генерации [53. В последнее время были проведены эксперименты, давшие значительный материал для анализа и верификации моделей XeF лазеров. Среди них: измерение
плотности электронов [7], измерение КПД и временной зависимости мощности генерации в полосах. 351 и 353 нм для различных температур и уровней накачки 16,8]. Измерение с высоким разрешением спектра генерации XeF лазера в зависимости от температуры [91 позволило выявить роль вращательной релаксации в формировании данного спектра НО]. Спектры усиления XeF(B-X) лазера, снятые при различных, температурах газовой смеси и различных уровнях накачки Ш], а также при просвечивании активной среды на различных длинах .волн дают возможность проверить и уточнить численную модель лазера, построенную с учетом колебательной и вращательной кинетики молекулы XeF. Появились также экспериментальные и теоретические работы, посвященные элементарным процессам в рабочей среде, и, что наиболее ценно, колебательной кинетике состояний В, С и X молекулы XeF [12,13,14].
Таким образом, весьма актуальной представляется задача создания компьютерной модели, использующей результаты, полученные в последнее время. Модели, которая отражала бы основные характеристики реальной лазерной системы и могла бы описать спектр генерации XeF лазера, накачиваемого электронным пучком при изменении мощности накачки и температуры.
Целью настоящей работы являлось построение модели ХеР(В-Х) лазера, способной описывать. спектры усиления и генерации и объяснить наблюдающиеся в экспериментах закономерности.
Научная и практическая ценность работы:
В результате проведения данного исследования удалось уточнить схему плазмохимических процессов в смеси Ме/Хе,
что в свою очередь позволило впервые описать временное поведение плотности электронов при малых концентрациях прилипателя и снять вопрос о наадекватности плазмохимической модели для смеси Ne/Xe.
Для ускорения разработки и повышения надежности компьютерной модели лазера был разработан специализированный язык программирования КІМ). Компилятор с данного языка может быть использован при моделировании ллазмохимических процессов на ЭВМ типа IBM PC или для подготовки текстов моделирующих программ для других компьютеров.
Из сравнения экспериментально полученных 111] и расчетных спектров усиления ХеР(В-Х) лазера определены величины столкновительного уширения вращательных линий и константы вращательной релаксации молекулы XeF. Показано, что вопрос о столкновительном уширешш линий является принципиальным при расчете величины сечения вынужденного излучения рабочего перехода. На отдельных длинах волн учет полученных величин уширения приводит к снижению расчетного сечения в два раза по сравнению с рассчитанным при использовании традиционной величины уширения.
Впервые предложена модель ХеР(В-Х) лазера, адекватно описывающая большинство экспериментальных результатов, полученных при возбуждении среды пучком электронов. Разработанная модель также может быть применена для моделирования газоразрядных лазеров.
Положения, выносимые на защиту:
1. Построена компьютерная модель плазмохимических
процессов, идущих в смеси Ne/Xe/Pp, накачиваемой электронным
пучком. В модели, рассчитывается низкоэнергетичная часть
функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ), что
позволяет с достаточной степенью достоверности оценивать роль
тех или иных процессов, идущих с участием электронов.
2. Показано, что в рабочих условиях концентрация
молекулярного иона NeXe+ пренебрежимо мала. На этом основании
предлагается модернизация традиционно используемой
кинетической модели, заключающаяся в исключении иона NeXe+ из
числа рассматриваемых частиц. С учетом этого впервые удалось
получить расчетное плотности электронов, хорошо согласующиеся
с экспериментальными, полученными при малых концентрациях
пршшпателя.
-
Мз сравнения экспериментального и расчетного спектра усиления слабого сигнала определена величина столкновительного уиирения вращательных .пиний .перехода Б-Х. Полученная величина столкновительного уширения (15 Ггц/атм) оказалась в несколько раз превышающей традиционно используемую величину в 3-5 Ггц/атм. Показано, что такое изменение уширения снижает пиковую величину сечения вынужденного излучения на переходе (1-4) приблизительно в два раза.
-
Предложен способ учета влияния скорости вращательной релаксации ца характеристики . лазера. Из сравнения экспериментального и расчетного спектров, полученных при насыщении активного перехода излучением внешнего лазера,
определена константа скорости вращательной релаксации в рамках предложенной модели. Показано, что полная скорость вращательной релаксации в первом прибликении пропорциональна ширине спектрального диапазона генерации/усиления.
5. Впервые предложена модель расчета спектра генерации XeF лазера, адекватно описыващая большинство экспериментальных результатов. Полученные временше зависимости интенсивности генерации в различных спектральных полосах, а такке интегральные по времени спектры генерации качественно совпадают с полученными экспериментально и демонстрируют те же качественные зависимости от температуры и мощности накачки. Показано, что увеличение КПД лазера с ростом температуры газовой смеси обусловлено перераспределением населенностей колебательных уровней нижнего электронного колебательного состояния X молекулы XeF, и соответствующим увеличением мощности генерации в области спектрально перекрытых колебательных переходов (1-4) и (0-2).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре "Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров" (Лохусалу, Эстония) в 1988 и 1990гг., на XIX Международной Конференции по Явлениям в Ионизированных Газах (1CPIG XIX, Belgrade, Yugoslavia 1989), а также научных семинарах ОМЭ, и опубликованы в 8 работах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка литературы из 102 наименований. Материал диссертации изложен на 115 страшщах и включает 23 рисунка и 7 таблиц .
