Характеристики XeCI лазеров и лазеров на переходах Xe*, возбуждаемых сильноточными электронными пучками

Наиболее мощные эксимерные лазеры на молекулах ХеСЕ, XeF и KrF, формирующие импульсы излучения в ультрафиолетовой области спектра, могут быть широко использованы при проведении различных исследований. Возможными областями их применения являются: лазер-* ный термоядерный синтез, обработка поверхностей (например, отжиг полупроводниковых материалов), возбуждение мощных перестраиваемых лазеров на красителях.

Создание эксимерных лазерных установок с высокой энергией для ЛТС наталкивается на определенные трудности. Прямое усиление наносекундных импульсов, используемых для проведения экспериментов по ЛТС, является эффективным лишь при длительностях возбуждения среды, сравнимых с временами жизни верхнего лазерного уровня. Поскольку последние составляют ~ 1СГ®с, для создания усилителей необходимо исследование эксимерных лазеров, возбуждаемых импульсами соответствующей длительности. Наносекундное возбуждение больших объемов оказывается технически сложной задачей, и в качестве одного из вариантов схемы прямого усиления предлагается последовательное усиление ряда наносекундных импульсов, входящих в усиливающую среду под различными углами с последующим сведением их на мишень i]. Одновременность облучения мишени достигается с помощью оптических задержек. При такой схеме длительность импульса возбуждения может быть увеличена до сотен наносекунд. Существенным препятствием, стоящим перед прямым усилением импульсов, является потеря энергии за счет сверхизлучения и генерации на диффузно рассеивающих поверхностях при большой длине активной среды и высоком коэффициенте усиления (^ 1(Г*см" *). Появившиеся в последнее время работы [z] указывают на существование растворов красителей, обладающих свойствами насщающихся поглотителей в ультрафиолетовой области спектра, на основе которых возможна разработка ячеек оптической развязки.

Представляется реальным формирование мощных наносекундных импульсов с помощью вынужденного комбинационного рассеяния. В не" которых работах [з] [4] указывается, что к.п.д. ВНР — преобразования достигает величины 40 * 70%. К настоящему времени разработаны проекты экспериментальных установок [б] и проведены пред* варительные эксперименты по формированию и усилению импульсов с использованием ВНР [б]. Заметим, что для ВКР могут быть использованы эксимерные лазеры с длительностью импульсов излучения десятки и сотни наносекунд с высокой энергией в импульсе, что требует создания и исследования лазеров с большими объемами активной среды.

Существуют три основных способа возбуждения эксимерных лазеров. Первый способ — быстрый разряд с ультрафиолетовой предиони-зацией [7], наиболее прост и является предпочтительным при возбуждении небольших (^ I ¦ 2 л) активных объемов. На его основе были разработаны эксимерные лазеры импульсно-периодического действия. Возникновение неустойчивостей в разряде при увеличении межэлектродного расстояния ограничивает его возможности по возбуждению больших объемов, поэтому для возбуждения активных объемов (10 * 100 л) и более используются электронный пучок [8 ] и разряд, контролируемый электронным пучком [9]. Эффективность этих трех способов примерно одинакова, но при применении двух последних может быть достигнута более высокая однородность возбуждения.

Среди наиболее мощных эксимерных лазеров (XeF, KrF и XeCt), лазер на Хе Ct имеет определенные цреимущества. Во-первых, используемые хлороносители являются химически менее агрессивными, чем фторосодержащие компоненты эксимерных смесей, и позволяют вести длительную работу в импульсно-периодическом режиме без замены рабочей смеси при незначительном ухудшении энергетических характеристик [ю]. Во-вторых, известные оптические материалы имеют более высокую лучевую стойкость к излучению XeCt лазера с длиной волны 308 нм по сравнению с 250 им (KrF) [il].

При исследовании лазеров на галогенидах ксенона наблюдает** ся сопутствующая инфракрасная генерация на переходах Хек [l2]. Можно полагать, что исследование инфракрасной генерации в двух-компонентных смесях инертных газов позволит получить определенную информацию о кинетических процессах, которая окажется полезной применительно к эксимерным лазерам.

Мощные лазеры на переходах Хе*, излучающие в ближней инфракрасной области спектра, могут найти применение в физике полупроводников, так как их излучение позволяет воздействовать на внутреннюю структуру полупроводниковых материалов, которые, в большинстве своем, прозрачны на длине волны 1,73 мкм. Другой возможной областью использования этих лазеров является оптическая связь или локация из-за наличия в атмосфере п окна прозрачности11 в диапазоне длин волн вблизи 2 мкм [13] .

К началу настоящей работы лазер на молекуле Хе Ct был наименее изучен по сравнению с лазерами XeF, KrF. Кроме того, практически не были исследованы лазеры на переходах Хе5*, возбуждаемые электронным пучком.

В Институте Атомной энергии им. И. В. Курчатова работы по исследованию эксимерных лазеров и лазеров в ближней ИК области на переходах Хе, возбуждаемых электронным пучком, были начаты в 1978 г.

Целью настоящей диссертационной работы являлось:

1. Разработка и создание мощных XeCt лазеров, возбуждаемых электронным пучком.

2. Экспериментальное исследование характеристик XeCt лазеров и активной среды при различных плотностях тока пучка и длите** льностях возбуащения.

3. Исследование генерации на переходах Хе3* в ближней инфракрасной области.

На защиту выносятся;

1. Результаты экспериментальных исследований XaCt лазера, возбуждаемого электронным пучком длительностью 25 не с плотностью тока до 150 А/см :

— радиационное время жизни нижнего колебательного уровня состояния В составляет II + 3 неи *.

— интенсивность насыщения в Хе Ci лазера пропорциональна давлению в диапазоне 1,5 * 3,5 ата;

— коэффициент усиления слабого сигнала практически не зависит от давления в диапазоне 2 * 3,5 ата;

— достигнута мощность генерации 0,5 ГВт.

2. Результаты экспериментальных исследований XeCt лазера с активным объемом ~ 20 л, возбуждаемого электронным пучком длительностью 10″^с и плотностью тока до 40 А/см**:

— коэффициент усиления слабого сигнала пропорционален плотности тока пучка электронов;

— интенсивность насыщения не зависит от концентрации электронов в активной среде;

— впервые достигнута энергия генерации 100 Дж.

3. Результаты экспериментального исследования лазера на переходах 5d — бр Хе35:

— при наносекундной накачке генерация наблюдается после импульса тока пучка и ее энергия пропорциональна величине ионизационных потерь быстрых электроновс.

— при возбуждении пучком электронов длительностью 10 с генерация происходит в течение импульса накачки, обнаружена оптимальная плотность тока пучка, при которой мощность генерации имеет максимум;

— получена энергия излучения 25 Дж на длине волны 1,73 мкм.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально исследованы основные характеристики активной среды ХеСi лазера с возбуждением электронным пучком. Определены зависимости интенсивности насыщения, эффективности образования молекул Хе tt, коэффициентов усиления и поглощения от условий возбуждения. По экспериментальной зависимости интенсивности насыщения от давления определено радиационное время жизни верхнего лазерного уровня.

2. Получены параметры генерации ХеС Елазера, сравнимые с аналогичными параметрами лазера на молекуле KrF: удельная энергия генерации «10 Дж/л, к.п.д. ~ 5%. Достигнуты мощность генерации 0,5 ГВт и полная энергия излучения 100 Дж.

3. Для лазера на переходах 5d — бр Хе* обнаружена оптимальная плотность тока накачки, при которой удельная мощность генерации достигает предельного значения.

Практическая ценность работы.

Создан ХеСЕ лазер с энергией 100 Дж, который успешно применялся в экспериментах по взаимодействию ультрафиолетового излучения с поверхностью. Полученные при исследовании ХеС&лазеров данные послужили основой для разработки конструкции эксимерного лазера для проведения экспериментов по ЛТС. Уточнено радиационное время жизни нижнего колебательного уровня состояния В молекулы ХеС£, что имеет важное значение при анализе генерации и усиления в XeCl лазерах.

Показана возможность создания наносекундного задающего генератора в ультрафиолетовой области спектра при использовании электрооптического затвора с полупроводниковым коммутатором.

На основании исследования инфракрасной генерации лазера на переходах Хей, возбуждаемого электронным пучком, установлены оптимальные условия возбуждения, знание которых необходимо при проектировании мощных Хе* - лазеров, излучающих на длине волны 1,73 мкм.

Апробация работы.

1. X Всесоюзная конференция по нелинейной и когерентной оптике, Киев, 14−17 октября, 1980 г.

2. The In-iemoiionoi Conference on Losers, User — USA, December /4-/8, /98/.

3. Ш Всесоюзная конференция «Оптика лазеров», Ленинград, 4−8 января, 1982 г.

4. 1У Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Новосибирск, март-апрель, 1982 г.

5. П Всесоюзное совещание по хемилюминесценции и эксимерным лазерам. Ужгород, сентябрь, 1982 г.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

Результаты работы позволяют с помощью элементарных расчетов прогнозировать параметры мощных ХеСЕ. лазеров с накачкой электронным пучком. На основании проведенных экспериментов разработана конструкция ХеСЕ лазера для проведения экспериментов по JITC.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность научным руководителям Д. Д. Малюте и А. П. Стрельцову за постоянное внимание, помощь в постановке экспериментальных задач и обсуждение результатовВ.Ю.Баранову и Ю. Г. Красникову за поддержку работыВ.А.Адамовичу, И. В. Новобранцеву, Д.В.Гай-даренко, И. М. Исакову, А. Г. Леонову за помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатовА.П.Напартовичу и В.В.Лихан-скому за полезное обсуждение вопроса о ширине спектра в эксимерных лазерах и проведенный теоретический анализ, А. Н. Старостину за ценные замечания, высказанные после прочтения рукописи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении кратко укажем основные выводы и результаты диссертации.

1. Распределение плотности тока в сильноточном электронном пучке большого сечения (I ~ I04 А, ? Ю3 см^) в основном определяется фокусирующим влиянием собственного магнитного поля пучка в условиях полной или частичной компенсации объемного заряда пучка ионами плазмы, образуемой пучком в ускоряющем промежутке.

2. Интенсивность насыщения в XeCt лазере не зависит от плотности тока пучка и прямо пропорциональна давлению активной среды.

3. Предложена методика определения малых времен жизни экси-мерных молекул и измерено радиационное время жизни верхнего лазерного уровня молекулы ХеС£, которое близко к расчетному и составляет II? 3 не.

4. Показано, что коэффициент усиления в ХеСЕ лазере слабо зависит от давления при Р > 2 ата.

5. Достигнуты энергия излучения 100 Дж при удельном энергетическом выходе 10 Дж/л и мощность генерации 0,5 ГВт при к.п.д.

6. Показано, что на ширину спектра генерации в эксимерных лазерах существенное влияние оказывают нагрев среды и вращательная релаксация верхнего уровня. Получены приближенные зависимости ширины спектра от параметров резонатора и активной среды, которые хорошо согласуются с результатами измерений.

7. Обнаружено существование оптимальной плотности тока пучка электронов, при которой наблюдается максимальная интенсивность генерации лазера на переходах 5d — 6р Хе*.

8. Достигнута энергия инфракрасной генерации 25 Дж при максимальном удельном энергетическом выходе 1,4 Дж/л.