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

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 экспериментальными данными. При этом не было попыток выявить зависимости выходных характеристик лазера от взаимодействия кинетических процессов в плазме, а также получить расчетные результаты и выполнить анализ кинетических процессов для различных режимов накачки в широком диапазоне начальных параметров.

Цель работы. Провести анализ динамики процессов в плазме разряда накачки в широком диапазоне начальных условий. Обосновать возможность получения максимальных характеристик излучения. Выявить процессы, в которых происходят потери энергии в плазме и влияние на них начальных параметров.

Задачи исследований:

• Провести моделирование и сделать анализ кинетических процессов, от которых зависят характеристики излучения. Выявить зависимости характеристик излучения от начальных параметров.

• Определить временные зависимости скорости и частоты процессов ионизации, рекомбинации и прилипания электронов, эффективность создания эксимерных молекул, а также выявить потери энергии.

• Определить процессы, влияющие на время запаздывания генерации относительно накачки, выяснить возможность уменьшения времени запаздывания генерации.

• Определить скорости реакций, в которых происходит разрушение молекул НС1, выяснить возможность уменьшения потерь.

• Выяснить возможность увеличения удельной энергии излучения.

• Определить скорости процессов тушения эксимерных молекул.

Методика исследований. Методом исследований является численное моделирование режимов накачки, отличающихся мощностью накачки, длительностью импульса и составом газовой смеси. Получение временных зависимостей: концентрации электронов, возбужденных и нейтральных частиц, скоростей основных реакций, распределений поглощенной мощности и энергии по процессам.

Положения, выносимые на защиту.

1. Энергия излучения определяется начальной концентрацией молекул НС1 в газовой смеси и эффективностью их преобразования в фотоны индуцированного излучения. С увеличением концентрации молекул НС1 происходит снижение эффективности их преобразования в фотоны. Оптимальная энергия накачки, при заданной концентрации молекул НС1, соответствует условию, при котором выгорание молекул НС1 составляет ~ 80% от начального их значения. Более высокая энергия накачки дает малое приращение энергии излучения и снижает эффективность лазера.

2. В широком диапазоне параметров: удельной энергии накачки (60 + 360) мДж-см" 3, мощности (0.5 ^ 6.0) МВт-см'3 и длительности импульса (20 + 150) не, энергия создания эксимерных молекул составляет (47 ± 3)% вложенной энергии. Оставшаяся часть энергии переходит в тепло по трем каналам в следующем соотношении: процессы тушения возбужденных уровней Хе и НС1 (~30%), преобразование атомарных ионов Хе+ в молекулярные NeXe+ (~15%) и рекомбинация электронов (~ 7%).

3. Энергия возбуждения молекул ХеС1(В, С) и ХеС1(В0С0) составляет -16% от энергии накачки. Тушение этих молекул происходит в столкновениях с электронами, молекулами HCl (v) и атомами неона. Суммарные потери энергии в процессах тушения соизмеримы с энергией индуцированного излучения при оптимальных условиях накачки, и возрастают с увеличением концентрации электронов.

4. Кинетические процессы в плазме разряда накачки ХеС1-лазера позволяют увеличить удельную энергию излучения до 10 Дж/л при эффективности излучения ~1%. Дальнейшее увеличение энергии накачки и содержания НС1, ведет к снижению эффективности.

Достоверность, полученных результатов, подтверждается согласием расчетных зависимостей от времени тока разряда, напряжения на плазме, мощности излучения, а так же значений энергии излучения в широком диапазоне условий: мощности накачки 0.5 — 6 МВт-см', давления 2−6 атм, длительности импульса 20 -150 не и вложенной энергии 60 -350 мДж-см*3, с экспериментальными данными, полученными в работах [6,17,66,29], а также с расчетными результатами других авторов [6].

Научная новизна работы.

1) Впервые проведено систематическое моделирование процессов протекающих в плазме разряда накачки ХеС1-лазера в диапазоне мощностей накачки 0.5 — 6 МВт-см" 3, длительностей импульса 20 — 150 не и вложенной энергии 50 -350 мДж-см" 3.

2) Впервые получено распределение энергии вложенной в плазму по процессам создания лазерного излучения и в реакциях тепловых потерь.

3) Впервые обосновано существование придельного значения удельной энергии излучения с увеличением в активной среде содержания НС1.

Научная ценность работы.

1) На основе расчетных данных выявлены основные каналы потерь поглощенной энергии в плазме, а так же влияние на них таких параметров как мощность накачки, вложенная энергия и состав смеси.

2) Обоснованы оптимальные соотношения начальной концентрации НС1, вложенной энергии и мощности накачки, необходимые для получения максимальной энергии излучения и эффективности преобразования энергии вложенной в плазму в энергию излучения.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты позволяют:

1. Выбирать оптимальные начальные параметры для заданных характеристик излучения.

2. Разрабатывать инженерные методы расчета конкретных лазеров.

3. Проводить обучение студентов и аспирантов по специальностям физика плазмы и физика лазеров.

Личный вклад автора заключается в активном участии в постановке задач и целей исследований, проведении расчетов, анализе полученных результатов и формулировке выводов. Все результаты получены лично соискателем или совместно с соавторами при его непосредственном участии.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на конференциях:

1) 3-rd International Conference «Atomic and Molecular Pulsed Lasers», Томск, сентябрь 1997.

2) Школа-семинар Сибирского физико-технического института, Томск, февраль, 2000.

3) 5-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology, Томск, октябрь 2000.

4) 4-th International Conference «Atomic and Molecular Pulsed Lasers», Томск, сентябрь 1999.

5) 5-th International Conference «Atomic and Molecular Pulsed Lasers», Томск, сентябрь 2001.

6) 6-th International Conference «Atomic and Molecular Pulsed Lasers», Томск, сентябрь 2003.

7) XXVI-th International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Greifswald (Germany), июль, 2003.

8) .XXVII-th International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Eindhoven (the Netherlands), июль, 2005.

Публикации. Результаты работы опубликованы в отечественной и зарубежной научной печати. По теме диссертации имеется 13 публикаций:

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками и 8 таблицами. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (69 источников) и приложения (16 страниц).

4.6. Выводы к главе 4.

1. Использование полупроводникового прерывателя позволяет поднимать концентрацию электронов до значений порядка 1015 см" 3 за времена ~5 не. Мощность первого импульса накачки должна быть достаточной для перехода к насыщенной генерации. Это позволяет уменьшить время запаздывания генерации и увеличить эффективность лазера.

2. В широком диапазоне условий накачки, доля от вложенной энергии, которая используется на образование эксимерных молекул, составляет 46−49%. Потери остальной энергии вложенной в плазму происходят в процессах тушения возбужденных уровней Хе, НС1, рекомбинации и конверсии.

3. Процент энергии, которая идет на образование XeCl**, уменьшается до 30−35% в режимах, где выгорает больше 90% содержания НС1 и концентрация электронов достигает значений порядка 1016 см'3, и в режимах, где концентрация электронов не достигает значения 1015 см" 3 (40−45%).

4. Несмотря на то, что ~30% энергии теряется при релаксации эксимерных молекул с верхних колебательных уровней на уровень ХеС1(Ь0), эффективность передачи энергии, запасенной в эксимерных молекулах, в индуцированное излучение определяется процессами тушения эксимеров при столкновении с электронами и тяжелыми частицами.

5. Концентрация электронов ~1015 см" 3 является оптимальной для получения высокой эффективности преобразования энергии накачки в лазерное излучение в XeCl лазера. Такие концентрации обеспечивают достаточные скорости всех процессов важных для получения эксимерных молекул. При этом потери энергии в активной среде оказываются меньше, чем для режимов с большей концентрацией электронов.

Заключение

.

В настоящей работе представлены результаты компьютерного моделирования электроразрядного ХеС1-лазера. Расчеты были проведены в широком диапазоне условий: длительности разряда накачки 20−150 не, мощности накачки 0.5−16 МВт-см" и энергии накачки 60 -420 мДж-см .

В ходе проведенных исследований получены новые расчетные данные динамики изменения концентраций частиц, скоростей процессов. Кроме того, получены распределения мощности и энергии поглощенной в плазме по основным процессам для разных условий возбуждения разряда. На основе анализа полученных данных сделаны следующие выводы.

1. Увеличение частоты прилипания электронов к молекулам HCl (v) с колебательным возбуждением происходит одновременно с ростом частоты ступенчатой ионизации. Этим обусловлена большая скорость образования XeCl** молекул и высокая эффективности их создания.

2. Энергия, вложенная в плазму, расходуется по следующим четырем основным каналам — образование эксимерных молекул, тушение возбужденных состояний Хе и НС1, электрон-ионная рекомбинация и конверсия атомарного иона Хе+ в молекулярный NeXe+.

3. Значительные потери эксимерных молекул происходят в процессах их тушения электронами и молекулами HCl (v). До начала генерации они составляют 80% всех образованных XeCl*. Начало генерации снижает эти потери до 40%.

4. При увеличении мощности накачки, которое необходимо при малой длительности импульса накачки, тушение электронами становится доминирующим процессом. Это затрудняет формирование фотонной лавины и снижает эффективность лазера.

5. Обоснована возможность увеличения удельной энергии излучения путем одновременного повышения концентрации НС1 в газовой смеси и увеличении мощности накачки. При этом увеличиваются потери энергии в процессах тушения, и увеличение удельной энергии излучения происходит при снижении эффективности генерации.