Кинетика процессов в плазме разряда накачки XeCl-лазера и их влияние на характеристики излучения

• Автор: Ямпольская, Софья Александровна
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Ведение

Глава 1. Элекгроразрядный ХеС1 лазер, состояние дел на сегодняшний день

(обзор)

1.1 Электрические схемы накачки

1.2. Экспериментальные данные характеристик лазерного излучения

1.3. Моделирование ХеС1 лазера с однородным разрядом накачки

1.4. Выводы к главе

Глава 2. Разряд накачки длительности 50 не

2.1. Результаты расчета, сравнение с экспериментом

2.2. Режим с максимальной полученной энергией излучения, результаты

расчета
2.2.1. Электрические свойства разряда накачки
2.2.2. Кинетика эксимерной молекулы ХеС1
2.3. Основные процессы распределения энергии в плазме
2.3.1. Передача энергии накачки в активную среду
2.3.2. Распределение запасенной энергии
2.3.3. Тепловые и другие виды потерь энергии в активной среде
2.4. Зависимость энергии излучения и эффективности лазера от
парциального давления НС1
2.5. Выводы к главе
Глава 3. Импульс короткой длительности
3.1. Разряд накачки длительности 30 не
3.1.1. Результаты расчета, сравнение с экспериментом
3.1.2. Соотношения скоростей и частот некоторых основных процессов
3.1.3. Время запаздывания начала излучения
3.1.4. Распределение энергии вложенной в разряд по основным
процессам
3.2. Разряд накачки длительности 20 не
3.2.1. Электрическая схема, параметры и сравнение с экспериментом
3.2.2. Концентрации частиц и частоты рождения-гибели электронов
3.2.3. Увеличение мощности вводимой в разряд
3.3. Выводы к главе
Глава 4. Разряд накачки длительности ~ 150 не
4.1. Электрическая схема
4.2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных
4.3. Режим с зарядным напряжением 36 кВ, результаты и
обсуждение
4.3.1. Распределение введенной в активную среду энергии по
кинетическим процессам
4.4. Влияние времени запаздывания начала излучения на эффективность
лазера
4.5. Общие закономерности протекания процессов в разрядной плазме в диапазоне энергий накачки 60 - 360 мДж-см'3
4.6. Выводы к главе
Заключение
Библиографический список
Приложение. Описание модели
Актуальность темы. До настоящего времени, эксимерный лазер на молекуле ХеС1 является одним из наиболее мощных источников интенсивного ультрафиолетового излучения. Тридцатилетняя история исследований ХеС1-лазера позволила достичь большого прогресса в этой области. На сегодняшний день реализованы как частотные, так и моноимпульсные режимы с генерацией в диапазоне длительностей от десятка до нескольких сотен наносекунд. Большинство лазерных установок, о которых сообщается в литературе, работает в диапазоне удельной энергии излучения 2 - 3,5 Дж/л при эффективности 2 - 3%. Однако есть сообщения о полученной удельной энергии излучения превышающей 7 Дж/л [6] и эффективности относительно вложенной энергии ~ 5% [5]. Широкий диапазон возможных характеристик излучения, а так же длина волны X = 0,308 мкм, принадлежащая ультрафиолетовой области спектра, позволяют ХеС1-лазеру находить применение в различных областях индустрии, медицины, а так же делают его мощным инструментом научных исследований.
Несмотря на то, что генерация на молекуле ХеС1 получена более 30 лет назад, существует ряд нерешенных вопросов. И эти вопросы относятся, прежде всего, к динамике протекающих процессов. Плазма объемного электрического разряда с концентрацией электронов ~1015 см-3 до настоящего времени остается недостаточно изученной. Более того, именно эксимерные лазеры стимулируют изучение такой плазмы. Проблема состоит в том, что за время длительности импульса накачки сильно изменяются скорости и соотношения скоростей, происходящих в плазме кинетических процессов, именно от этих изменений зависят, как характеристики плазмы, так и характеристики выходного излучения. В свою очередь, сами скорости зависят от совокупности выбранных начальных параметров.
В опубликованных работах по моделированию ХеС1 лазера недостаточное внимание уделялось анализу кинетических процессов. Результатами расчета являлись, как правило, зависимости тока и напряжения от времени, а также энергии и мощности выходного лазерного излучения, которые сравнивались с

Поэтому увеличивается и число молекул НС1 необходимых для получения одного кванта излучения. При двойном увеличении парциального давления НС1, число молекул требующихся для создания одного лазерного кванта увеличивается в 1.3 раза. Поэтому двух кратное увеличение парциального давления донора галогена приводит к увеличению лазерной энергии только в 1.5 раза.
Как можно видеть на рисунке 17(а), кривые зависимости энергии излучения от мощности накачки имеют максимум. Для каждой смеси, максимум излучения достигается, когда выгорает порядка 90% от начального содержания молекул НС1 (рис. 17(6)). Дальнейшее увеличение мощности накачки не приводит к увеличению выходной энергии. Более того, энергия излучения уменьшается. Это связано с увеличением потерь, таких, как, тушение возбужденных состояний и поглощение излучения в активной среде, с ростом мощности накачки. Эффективность лазера в этой области мощностей накачки очень сильно падает. На рисунке 17(в) представлены зависимости эффективности лазера от мощности накачки. Эффективность рассчитывалась относительно энергии запасенной в емкости. Видно, что на кривых имеется излом. При увеличении мощности накачки выше значения, при котором выгорает ~80% начальной концентрации НС1, происходит сильное падение эффективности лазера.
Таблица 4. Характеристики излучения для разного содержания в газовой смеси

Смесь Ne:Xe:HCl, Р=6 атм НС1°, мбар Е лаз 5 Дж/л Е 1 ь лаз ? Дж/л[НС1, мбар] кпд, %
а
в и Л 1000:5:1.7 10 7.7 0.77 2
Ь 1000:5:0.85 5 5.2 1.04 2
У о се 1000:5:1.7 10 8.0 ОО О 2
Рч 1000:5:3.4 Г 20 10. 0.5 1