Лазеры на атомных переходах инертных газов с электронной накачкой

• Автор: Холин, Игорь Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 265 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЛАЗЕРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ
ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
§ 1.1. Обзор методов накачки лазеров на ИК переходах инертных газов
1.1.1. Лазеры высокого давления с поперечным разрядом
1.1.2. Лазеры с накачкой продуктами ядерных реакций
1.1.3. Фотоионизационно - рекомбинационные лазеры
1.1.4. Лазеры с СВЧ накачкой
1.1.5. Лазеры с накачкой пучком быстрых электронов
1.1.6. Электроионизационный метод накачки лазеров на инертных газах
§ 1.2. Лазеры на Зр - Зя переходах неона
1.2.1. Электроразрядные неоновые лазеры низкого давления
1.2.2. Электроразрядные лазеры высокого давления на самоограниченных р - я переходах тяжелых инертных газов
1.2.3. "Пеннинговские" лазеры высокого давления на Зр - Зя переходах Ме1
§ 1.3. Кинетические процессы в смесях инертных газов
1.3.1. Взаимодействие электронного пучка с активной средой
1.3.2. Плазмохимические реакции между тяжелыми частицами
1.3.3. Реакции с участием вторичных электронов
1.3.4. Реакции с участием электромагнитных квантов
Глава 2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
§ 2.1. Электроионизационная лазерная установка ТИР
2.1.1. Электроионизационный газовый лазер высокого давления
2.1.2. Диагностический комплекс
§ 2.2. Лазеры на ксеноне с электроинонучковой накачкой
2.2.1. Лазер на Аг - Хе смеси
2.2.2. Лазеры на смесях с другими буферными газами
2.2.3. Спектральный состав лазерного излучения
§ 2.3. Лазеры на ксеноне при электроионнзацнонной накачке
2.3.1. Электроионизационный разряд в Аг-Хе смеси
2.3.2. Энергетические параметры электроионизационного лазера на Аг-Хе смеси
2.3.3. Электроионизационная накачка других лазерных смесей
§ 2.4. Кинетика возбуждения лазеров на ксеноне
2.4.1. Кинетика возбуждения при электроннопучковой накачке
2.4.2. Кинетические процессы и механизм образования проводимости в активной
среде при электроионизационной накачке
§ 2.5. Альтернативные механизмы возбуждения лазерных переходов
2.5.1. Рекомбинационные механизмы возбуждения
2.5.2. Непосредственная передача возбуждения с буферного газа
2.5.3. Возбуждение вторичными электронами
2.5.4. Резюме
ОГЛАВЛЕНИЕ З
Глава 3. ДВУХКАСКАДНАЯ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ
УСТАНОВКА "ТАНДЕМ"
§ 3.1. Электроионшацнонный лазер с острийным катодом электронной пушки
3.1.1. Конструкция лазера
3.1.2. Генератор импульсных напряжений (ГИН)
3.1.3. Энергетические параметры электронной пушки
§ 3.2. Электроионшацнонный лазер с нагревным катодом электронной пушки
3.2.1. Электронная пушка с вольфрамовым катодом
3.2.2. Система магнитной фокусировки электронного пучка
§ 3.3. Особенности диагностического комплекса установки "Тандем"
Глава 4. ЛАЗЕРЫ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА С ЭЛЕКТРОННОПУЧКОВОЙ
НАКАЧКОЙ
§ 4.1. Высокоэффективный лазер на Ar - Хе смеси
4.1.1. Энергетические и спектральные характеристики
4.1.2. Динамика усиления слабого сигнала
4.1.3. Уширение некоторых лазерных переходов в смеси Ат
4.1.4. Динамика генерации
§ 4.2. Лазеры на смесях ксенона с криптоном и неоном
4.2.1. Лазер на Кг - Хе смеси
4.2.2. Лазер на Ne - Хе смеси
§ 4.3. Лазеры на смесях Не - Хе, Не - Кг и Не
4.3.1. Энергетические характеристики лазеров
4.3.2. Спектральные характеристики выходного излучения
4.3.3. Динамические характеристики
§ 4.4. Результаты исследования других бинарных смесей
§ 4.5. Лазеры на трехкомпонентных смесях
4.5.1. Лазеры на смесях с добавками неона
4.5.2. Влияние добавок аргона на параметры Не - Хе и Не - Кг лазеров
4.5.3. Влияние добавок криптона на параметры Не - Хе и Ат - Хе лазеров
4.5.4. Влияние мощности накачки и добавок гелия на энергетические параметры
Ат - Хе лазера
Глава 5. ЛАЗЕРЫ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ
НЕОНА
§ 5.1. Энергетические характеристики
5.1.1. Лазеры с длинами волн X = 703 и 725 нм
5.1.2. Безгелиевые двухкомпонентные смеси :
5.1.3. Оптимизация энергетических характеристик
§ 5.2. Спектральные ширины линий генерации
§ 5.3. Динамика усиления слабого сигнала
§ 5.4. Динамика наведенного поглощения
§ 5.5. Столкновительное тушение 3s уровней неона
5.5.1. Процессы ионизации с участием атомов неона
5.5.2. Экспериментальная методика
5.5.3. Эксперимент
ОГЛАВЛЕНИЕ
§ 5.6. Столкновительное тушение 6s уровней ксенона
5.6.1. Методика измерений
5.6.2. Обсуждение результатов измерений
Глава 6. МОЩНЫЙ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫЙ ЛАЗЕР НА Ar - Хе СМЕСИ
§ 6.1. Реализация мошной квазинепрерывной генерации
§ 6.2. Дииамика возбужденных и ионизованных состояний ксенона в Ar - Хе смеси
6.2.1. Динамика населенности эксимерных состояний
6.2.2. Экспериментальное подтверждение существования механизма накачки из возбужденных состояний
6.2.3. Предпосылки к созданию электроионизационного Ат - Хе лазера с низким уровнем предыонизации
§ 6.3. Константы скоростей трех кинетических процессов в Ar - Хе смеси
6.3.1. Методика измерений
6.3.2. Дезактивация эксимера аргона в послесвечении
6.3.3. Передача возбуждения с эксимера аргона на ксенон
6.3.4. Перемешивание состояний 3Х И 'Х эксимера аргона электронным ударом
§ 6.4. Электроионшацнонный Ат - Хе лазер с низким уровнем предыонизации
6.4.1. Оптимизация энергетических характеристик лазера
6.4.2. Электроионизационный Ат - Хе лазер атмосферного давления
6.4.3. Влияние мощности накачки на спектрально - временные характеристики
лазера
§ 6.6. Электроионизационные лазеры на Не - Ar и Ne - Ar смесях
Глава 7. РАСХОДИМОСТЬ ВЫХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА
ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ
§ 7.1. Оптическая схема эксперимента
§ 7.2. Структура выходного излучения в ближней зоне
§ 7.3. Структура выходного излучения в дальней зоне
ПРИЛОЖЕНИЕ
§ п.1. Основные кинетические процессы в смесях инертных газов
§ п.2. Численный расчет плазменных параметров в Ne - Кг и Ar - Хе смесях
п.2.1. Пеннинговский лазер на Ne - Кг смеси
п.2.1. Электроннопучковый лазер на Ат - Хе смеси
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
§ 1.2. ЛАЗЕРЫ НА Зр - Зв ПЕРЕХОДАХ НЕОНА

ла, однако при добавлении к неону водорода в соотношении Ке:Н2 = 3:1 в диапазоне разрядных токов 1-2 кА и давлений до 300 Тор в послесвечении разряда появлялась генерация на длине волны X = 585,3 нм.
В работах [150, 151] было предложено использование в качестве пеннинговских добавок электроотрицательных газов. Эксперименты проводились на установках с импульсными источниками питания, собранньми по двухконтурной схеме и обеспечивающими длительность разрядных импульсов в пределах 20 - 60 не. При использовании добавок ОТз была реализована генерация на Зв - 2р переходе гелия с X = 706,5 нм, Зр - Зв переходе неона с X = 585,3 нм и 4р - 4в переходе аргона с X = 750,3 нм. Наибольшие мощности излучения были достигнуты в смесях с весьма высоким содержанием №з (15 - 30 %) при давлении смеси ~ 100 Тор. Так как нижние лазерные уровни на всех трех переходах являются резонансными и эффективно заселяются в течение импульса разрядного тока, то для получения генерации необходима их быстрая очистка. Такая очистка, по мнению авторов работы, может осуществляться при добавках №3 по двум каналам. Во-первых, за счет реакций пеннинговской ионизации (этот механизм не подходит для лазера на смеси Аг - №3, так как потенциал ионизации №3 (13,2 эВ) больше энергии возбуждения нижнего лазерного уровня аргона (11,8 эВ). А во-вторых, с помощью гарпунных реакций с характерными константами скоростей на уровне 10'9см3с'1. Отмечалось, что использование электроотрицательных газов позволяет повысить эффективность возбуждения инертных газов в разряде за счет улучшения электрического согласования источников импульсного питания с плазмой разрядного промежутка, увеличения параметра Е/р и, соответственно, температуры вторичных электронов.
В работах [152, 153] была предложена оригинальная схема организации разряда для накачки неоновых лазеров с использованием радиоизотопной предыонизации. Для этого вдоль разрядного промежутка с двух сторон устанавливались источники Ро210 с активностью (1,5 - 0,7)-1010 Бк. Частота процесса ионизации, оцениваемая по потерям энергии а-частиц в смеси Не:№ = 200:30 Тор, составляла (1,0 - 0,5) Ю10 смс’1. При возбуждении чистого неона в диапазоне давлений 13-100 Тор наблюдалась генерация на переходе X = 540,1 нм, причем даже малые (0,2 - 0,3 Тор) добавки водорода, криптона или аргона приводили к срыву этой генерации. В то же время в смесях с добавками водорода была получена генерация на длине волны X = 585,2 нм, причем использование гелия в качестве буферного газа позволяло значительно увеличить выходную энергию лазера. Оптимальной для этой длины волны оказалась смесь Не:Ые:Н2 = 220:30:17 Тор.
В заключение параграфа отметим, что помимо публикаций, уже рассмотренных в этом кратком обзоре, следует упомянуть также и целый ряд других интересных экспериментальных [154-159] и теоретических [160- 162] работ, посвященных исследованию лазеров на Зр - Зв переходах неона.
§ 1.3. Кинетические процессы в смесях инертных газов
Интенсивные исследования последних десятилетий, направленные на создание эк-симерных лазерных систем различных модификаций [163], стимулировали подробное изучение большого числа плазмохимических реакций в инертных газах и их смесях друг с другом. Литературные данные о константах скоростей такого рода процессов сведены в несколько Таблиц в первом параграфе Приложения к настоящей диссерта-