Ионные газоразрядные лазеры на парах металлов с накачкой столкновениями 2-го рода

• Автор: Иванов, Игорь Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 397 с. : ил.

1. ПРОЦЕССЫ НАКАЧКИ ИОННЫХ УРОВНЕЙ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ СТОЛКНОВЕНИЯМИ 2-ГО РОДА В ПЛАЗМЕ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ.
1.1. Виды столкновений 2-го рода.
1.2. Особенности ионных спектров Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Cu, Se, Sb и Bi.
1.3. Математическое описание процессов накачки и дезактивации уровней.
1.4. Перезарядка с образованием иона рабочего вещества в возбужденном состоянии.
1.4.1. Заселение перезарядкой уровней Znll, Cdll и Hgll.
1.4.2. Заселение перезарядкой уровней Till, Gall и Inll.
1.4.3. Заселение перезарядкой уровней Cull и Sell.
1.5. Процессы с участием метастабильных и возбужденных атомов инертного газа.
1.5.1. Пеннинг-процесс.
1.5.2. Передача возбуждения от метастабильного атома иону.
1.6. Столкновения 1-го и 2-го рода ионов рабочего вещества с электронами.
1.7. Столкновения 1-го и 2-го рода ионов рабочего вещества с атомами
газовой смеси.
ВЫВОДЫ.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ НА ИОННЫХ ПЕРЕХОДАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОДОЛЬНОМ РАЗРЯДЕ.
2.1. Новые лазерные переходы в спектрах Gall, Till, Cdll и Hgll в импульсном разряде.
2.1.1. Генерация на переходах Till и Gall в смеси с гелием и неоном.
2.1.2. Генерация на переходах Cdll и Hgll без буферного газа.
2.2. Непрерывная генерация в спектрах Till, Cdll, Sbll и Bill.
2.2.1. Конструктивные особенности разрядных трубок для ПС стационарного разряда.
2.2.2. Генерация на переходах Hgll.
2.2.3. Парциальные коэффициенты и сечения перезарядки в смеси Не-Hg.
2.2.4. Генерация в смеси Tl-Ne.
2.2.5. Генерация на переходах Sbll и Bill.
ВЫВОДЫ.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ И ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАЦИИ В КАТАФОРЕЗНЫХ ЛАЗЕРАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.
3.1. Особенности разряда.
3.2. Параметры плазмы и положительного столба разряда.
3.2.1. Температура электронов и напряженность аксиального поля.
3.2.2. Концентрация заряженных частиц.

3.2.3. Концентрация возбужденных атомов гелия.
3.2.4. Ионизация атомов в смеси.
3.3. Катафорез.
3.4. Электрофорез буферного газа в смеси с парами металла.
♦ 3.5. Механизм накачки перехода с А.441,6нм в смеси He-Cd.
3.5.1. Механизмы накачки уровня 2D*5/2 Cdll.
3.5.2. Измерение скорости накачки уровня 2D*5/2 Cdll.
3.5.3. Зависимость инверсии от пе.
3.5.4. Эксперимент по оптической накачке плазмы.
3.5.5. Вклад в накачку Пеннинг-процесса и прямого электронного удара.
® 3.6. Активные среды с накачкой перезарядкой.
3.7. Оптимальные условия генерации при различных механизмах накачки.
3.8. Экспериментальный образец He-Se катафорезного лазера.
ВЫВОДЫ.
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ СТАЦИОНАРНОГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ В СМЕСИ ИНЕРТНЫЙ ГАЗ - ПАРЫ МЕТАЛЛА.
4.1. Физические процессы в стационарном РПК. ф 4.1.1. Модель разряда.
4.1.2. Катодное падение в смеси газов.
4.2. Энергия и концентрация электронов.
4.2.1. Интегральная ФРЭЭ.
4.2.1.1. ФРЭЭ быстрых электронов. л 4.2.1.2. ФРЭЭ в области средних и малых энергий.
4.3. Измерение параметров плазмы.
4.4. Интегральные характеристики излучения РПК, сравнение с положительным столбом.
4.5. Радиальные характеристики разряда.
4.6 Скорости перезарядки и Пеннинг-процесса в ОС.
4.6.1. Скорость накачки как функция величины катодного падения, оптимизация материала катода.
ф 4.6.2. Другие способы повышения величины катодного падения.
ВЫВОДЫ.
5. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ ГЕНЕРАЦИИ В СМЕСЯХ НЕ-CD И HE-HG В РАЗРЯДЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ.
5.1. Оптимизация конструкции разрядных трубок для непрерывных лазеров с РПК.
5.1.1. Основные типы разрядных трубок.
5.1.2. Сравнение характеристик РПК различных типов.
5.1.3. Конструкция разрядной трубки РПК „поперечного“ типа.
5.1.4. О поглощении излучения в катафорезных „запирающих“ секциях трубки.
5.2. Механизм накачки линии с 7441,6пм Cdll в смеси Iie-Cd в трубке ® „поперечного“ типа.
5.3. Оптимальные условия возбуждения лазерных переходов Cdll и Hgll

столкновениями 2-го рода в РПК.
5.3.1. Зависимость от давления паров металла.
5.3.2. Зависимость от давления гелия.
5.3.3. Зависимость оттока.
5.4. Энергетические характеристики излучения лазеров с РПК на смесях He-Cci и He-Hg,
5.5. Режим трехцветной генерации в лазере с РПК на смеси He-Cd.
5.5.1. Параметры разряда и мощность излучения.
5.5.2. Спектральные и шумовые характеристики излучения.
5.6. Экспериментальные образцы He-Cd трехцветных лазеров с РПК. Возможные области применений.
ВЫВОДЫ.
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ В ИМПУЛЬСНОМ РАЗРЯДЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ.
6.1. Особенности разряда и плазмы РПК, возбуждаемого импульсами тока
микросекундной длительности.
6.1.1. Возбуждение ионных переходов металлов столкновениями 2 рода в импульсном РПК.
6.2. Генерация в смеси He-Hg при малой частоте следования импульсов.
6.2.1. Оптимальные условия разряда.
6.2.2. Радиальные зависимости.
6.2.3. Зависимость от диаметра катодной полости.
6.2.4. Энергетические характеристики.
6.2.5. Кинетика населенностей уровней и зависимость оттока.
6.3. Генерация в смесях He-Zn и He-Cd при малой частоте следования импульсов.
6.3.1. Кинетика населенностей уровней Znll, накачиваемых перезарядкой в смеси He-Zn.
6.3.2. Кинетика населенностей уровней Cdll, накачиваемых перезарядкой в смеси He-Cd.
6.4. Генерация в смесях Не-Т1 и Ne-Tl при малой частоте следования импульсов.
6.4.1. Генерация на переходах Till в смеси неон-таллий.
6.4.1.1. Кинетика населенностей уровней Till.
6.4.2. Генерация на переходах Till в смеси гелий-таллий.
6.4.2.1. Кинетика населенностей уровней Till в смеси Не-Т1.
6.4.3.Структура линий генерации Till в видимой области.
6.5. Генерация в смесях Ne-Ga и Не-Си.
6.5.1. Генерация на переходах Gall в смеси неон-галлий.
6.5.2. Генерация на переходах Cull в смеси гелий- медь.
6.6. Кинетика населенностей уровней Inll в смеси неон-индий.
6.7. Генерация в смеси He-Кг при малой частоте следования импульсов.
6.8. Генерация в частотно-периодическом режиме и при накачке цугами импульсов.
6.8.1. Плазма РПК при накачке цугами импульсов.
6.8.2. Энергетические характеристики лазеров.

Таким образом, неселективный характер накачки Пеннинг-процессом требует для получения инверсии более благоприятного, чем для перезарядки, соотношения времен жизни лазерных уровней. В самом деле, из условия существования инверсии между уровнями 2 (верхним) и 1 (нижним), населенности и статвеса которых соответственно 7У2, ^ и по аналогии с (1.31)-(1.33) можно получить:
т2^ЖПП+КП) П40)
где Шплъ т- скорость накачки Пеннинг-процессом и время жизни уровня, т.е. более жесткое условие, чем для перезарядки. Это, с одной стороны, ограничивает применение Пеннинг-процесса для создания инверсии в ионных лазерах. В то же время, в некоторых случаях, благодаря специфике ионных уровней некоторых металлов (если верхний лазерный уровень является основным состоянием иона металла), при Пен-нинг-процессе может быть достигнуто его преимущественное заселение, Т.е. Ж2>й^1 (или даже 1¥2»1¥). И тогда требования к соотношению времен жизни по сравнению с перезарядкой не сильно ужесточаются.
Именно такая ситуация реализуется, в частности, в кадмии и цинке [электронная конфигурация основного состояния атомов (п-1)610 ш2; (п=4 и 5 для Ъп и СИ соответственно)] (рис.П1.1-П1.2). Ионизация этих элементов может происходить как за счет удаления внешнего э-электрона, при этом образуется ион в основном состоянии с конфигурацией (п-1)<110 пб1 (терм 28]/2), так и внутреннего й-электрона, при этом образуется ИОН В ОСНОВНОМ СОСТОЯНИИ „бейтлеровской системы“ (п-1)<19 ПБ2 (терм 2И*5/2;з/2). Между этими состояниями в кадмии и цинке лежит наиболее глубокий возбужденный (резонансный) терм пр2Р 1/2,з/2 конфигурации (п-1)610 п1, связанный оптическими переходами с термом 1/2 конфигурации (п~1)6|0пб.
Полное сечение Пеннинг-процесса в столкновениях Нет(238)-С6 по разным измерениям составило 6,5'10'15см2 [162,130], 7,3'10'15 [156,157] и 10,6'10"|:> [160]. Все три состояния могут возбуждаться Пеннинг-процессом с участием Не*, однако, поскольку возбуждение в основные состояния (двухэлектронный переход) идет интенсивнее, чем в возбужденное состояние иона 46|05р 2Р 1/2,з/2 (трехэлектронный переход), по данным [158,161,162] отношение скоростей накачки верхних 4695б22Б 5/24/2 и и нижних 2Р1/2,з/2 уровней для линии Х441,6нм составляет -5:2, а значения сечений - 1,4'10"15см2 и 7,7'10' 1бсм2, величина парциальных коэффициентов реакции (0,22) и (0,12), а для основного состояния иона конфигурации 46|05б - 0,4 [145]. Если к тому же учесть, что нал п л
пример, для С6П т(46 5б Б 5/2)=830нс много больше г(5р Р3/2)=3,5нс [139], становится понятным, почему в смеси Сб-Не на этих переходах получается генерация с непло-