Основы квантовой электроники (стр. 19 )

Sr0++ + 2e(медленные) → Sr+*(«2» 6s) + е (с энергией ΔE''), (4.9)

где через ΔE''=ΔE1''+ΔE2'' обозначена энергия, выделяющаяся при ударно-излучательной рекомбинации и уносимая вторым электроном ΔE1'', а также энергия ΔE2'', уносимая квантами света при последующих релаксационных переходах ионов Sr+* в состояние «2».

Лазер работает в циклическом режиме. Во время протекания импульса тока разряда в трубке, конструкция и схема возбуждения которой идентичны трубке лазера на парах меди (рис. 4. 4), за счёт неупругих столкновений 1-го рода атомов стронция с электронами плазмы ПС, происходит образование и накопление двукратно заряженных ионов Sr0++ (см., рис. 4.13,б). После окончания импульса тока, в “послесвечении”, внешнее электрическое поле снимается, электроны остывают, и начинается одновременное протекание процессов (4.8) и (4.9). Это приводит к инверсии населённостей и импульсной генерации, длительность которой определяется скоростью остывания электронов. Лазер работает на смеси паров стронция с гелием, который помимо обычных функций буферного газа в лазерах на парах металла, способствует и столкновительному охлаждению электронов.

К возможным применениям Sr+-лазера можно отнести накачку жидкостных лазеров на красителях, спектроскопию комбинационного рассеяния, флуоресцентную спектроскопию и др.

4.4. Накачка ударным возбуждением и ион-ионной рекомбинацией, эксимерные лазеры

Такие лазеры генерируют на электронных переходах двухатомных молекул, устойчиво существующих только в электронно-возбуждённых состояниях: эксимеров–молекул инертных газов (Ar2*, Kr2*, Xe2*), и эксиплексов–моногалогенидов инертных газов (ArF*, KrF*, XeF*, XeCl* и др.). «Эксимер» (exсimer) – аббревиатура от “excited dimer”. Возбуждённое устойчивое состояние таких молекул называется “связанным”, является верхним лазерным состоянием «2», и имеет ряд колебательных подуровней (рис. 4.14). Основное энергетическое состояние, являющееся нижним лазерным состоянием «1», неустойчиво (т. наз.“разлётный” терм), и его время жизни очень мало τ1≈10‑12…10‑13с, откуда: τ2/τ1>>1. Таким образом, в этой среде может быть создана стационарная инверсия населённостей, и лазер может работать или в непрерывном режиме, или в импульсном режиме свободной генерации, что определяется способами создания частиц в состоянии «2».

Образование эксимеров-димеров инертных газов R2* при рабочих давлениях в десятки атмосфер происходит электронными соударениями 1-го рода с последующими тройными соударениями:

е(быстрый)+R → R*, и далее R* + 2R → R2*«2» + R. (4.10)

Лазеры на моногалогенидах инертных газов (обозначаемых как RX*) обладают лучшими характеристиками, чем лазеры на димерах. Здесь главной является следующая цепочка процессов:

1а) образование возбуждённого атома инертного газа R* соударениями 1-го рода с электронами

е (быстрый)+R → R*, (4.11,а)

1б) или образование R* в три этапа: путём создания атомарных ионов R+, далее–конверсией ионов R+ в молекулярные–R2+, и, наконец,–последующей их диссоциативной рекомбинацией с образованием R*:

е(быстрый)+R → R+, R++2R → R2++R и R2++e → R + R*, (4.11,б)

2) образование RX* в состоянии «2» путём соударений R* с молекулой галогена X2:

R* + X2 → (RX)* «2» + X. (4.12)

Рис. 4.14. Схема термов эксимерных (эксиплексных) молекул–активной среды эксимерных лазеров (r–расстояние между ядрами атомов в молекуле)

Однако более интенсивно протекает ион-ионная рекомбинация по схеме:

1) образование молекулярных ионов R2+:

е(быстрый) + R → R+, R+ + 2R → R2+ + R (4.13,а)

2) образование отрицательных ионов галогена (X)–:

е(быстрый) + Х2 → Х + Х, и е(медленный) + Х → (Х)–, (4.13,б)

3) ион-ионная рекомбинация:

R2+ + (X)– → (RX)*«2» + R. (4.14)

Возбуждение газа (смеси газов) осуществляется либо в импульсном разряде поперечного типа с предыонизацией (ТЕА-лазеры), либо пучком быстрых электронов с малой частотой следования импульсов (доли Гц).

Наибольшее распространение получили эксимерные лазеры на молекулах XeCl* (λ308нм–для офтальмологии), и ArF* (λ192нм–для фотолитографии). Достаточно широкая линия (~10нм) позволяет осуществлять перестройку излучения эксимерного лазера по длине волны (частоте).

4.5. Тепловая накачка, газодинамический лазер

В этом типе накачки энергия черпается из нагретых до высокой температуры молекул газа, то есть тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию лазерного излучения. В качестве активных сред используются газовые среды с низкорасположенными энергетическими уровнями, как правило,–колебательно-вращательными уровнями основного электронного состояния частиц. Однако один лишь нагрев не может обеспечить инверсию населённостей, поскольку среда будет оставаться в термодинамически равновесном состоянии с больцмановским распределением частиц по уровням энергии (1.2).

Инверсию населённостей можно создать при быстром охлаждении нагретого газа, за счёт различных скоростей релаксации частиц, находящихся на уровнях «1» и «2». Это можно сделать, например, в схеме с тремя уровнями энергии молекулы CO2 (рис. 4.15), используя то, что w1>>w2 , где w1=τ1–1 и w2=τ2–1.

Рис. 4.15. Динамика заселённости уровней при тепловой накачке (а–г), и схема газодинамического лазера (д). 1 – форкамера (зона сжатия газа в компрессоре 1а и камера сгорания 1б), 2 – сопло, 3 – ООР, 4 – диффузор

На рис. 4.15,а-г приведена динамика изменения населённостей уровней при тепловой накачке активной среды лазера:

1) равновесный нагрев газа до температуры T1 (рис. 4.15,б), превышающей начальную температуру T0 (рис. 4.15,а), увеличивает число частиц на уровне «2». Однако распределение частиц остаётся больцмановским с температурой T1, и инверсия между уровнями 2 и 1 не возникает, поскольку с точностью до статвесов уровней: N2<N1;

2) далее газ быстро охлаждается до температуры T0 за время tохл, следующим образом связанное с временами жизни уровней τ1 и τ2:

τ1<tохл<<τ2 . (4.15)

При этом населённость уровня «1» снизится синхронно со снижением температуры газа, а уровня «2»–гораздо медленнее (рис. 4.15,в, г), и в газе возникает термодинамическая неравновесность, а на переходе «2»→«1» – инверсия населённостей (рис. 4.15,г).

Данная схема реализуется в газодинамических CO2-лазерах (рис. 4.15,д). Нагрев газа внешними источниками тепла нерационален, поэтому он осуществляется путём сжигания в воздухе углеводородного топлива с T1~2·103К. В результате появляются возбуждённые молекулы CO2, для которых τ2>>τ1 (см., раздел 4.3.2). Далее за счёт адиабатического расширения при истечении нагретого и сжатого газа из узкого сопла в область низкого давления, происходит охлаждение газа (“газодинамическое охлаждение при V-T релаксации”).

Столкновительному опустошению уровня CO2(01°0) способствуют пары H2O, появляющиеся при горении, а дополнительная накачка уровня «2» обеспечивается столкновениями с молекулами N2*, образующимися в камере сгорания из азота, содержащегося в воздухе.

Хотя КПД преобразования тепловой энергии в излучение у газодинамического лазера меньший, чем у электроразрядного СО2 лазера, такие лазеры могут быть сделаны с большим объёмом активной среды и, следовательно–иметь высокую мощность, а вопрос о КПД при использовании тепловых источников энергии стоит не так остро.

4.6. Накачка в химической реакции

Химические связи молекул являются исключительно ёмким накопителем энергии, которая выделяется при перестройке химических связей и может быть превращена во внутреннюю потенциальную энергию частиц, в частности–в энергию их колебательного движения. Примером химической накачки является реакция взаимодействия водорода (или дейтерия) с фтором во фтор-водородном химическом лазере. Если в смеси Н2 и F2 каким-либо образом подвергнуть диссоциации небольшое количество молекул F2, то возникнет цепная реакция:

F + Н2 → (НF)* + Н, Н + F2 → (НF)* + F и т. д. (4.16)

Молекулы (НF)*, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом колебательном состоянии, причём на ряде ИК-квантовых переходов (λ≈3мкм) создаётся инверсия населённостей. Если к исходной смеси добавить двуокись углерода, то при столкновениях молекул происходит резонансная передача энергии возбуждения от (НF)* молекуле СO2 с возбуждением её верхнего лазерного уровня 00°1 CO2 и последующая генерация на λ10,6мкм. То есть колебательно возбуждённые молекулы (НF)* играют ту же роль энергетических доноров, что и молекулы N2* в газоразрядных лазерах на смеси СО2-N2, а смесь D2, F2 и СО2 оказывается даже более эффективной.

В этой смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химические лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических лазеров, в том числе сходные с газодинамическими лазерами при тепловой накачке.

“Резонансной” передачей энергии в столкновениях между возбуждённой молекулой кислорода (в “синглетном” 1Δ-состоянии) и невозбуждённым йодом с последующей генерацией на линии йода λ1,315 мкм, накачивается химический кислородно-йодный лазер (Chemical Oxygen-Iodine Laser – COIL). Синглетный кислород в электронно-возбуждённом состоянии возникает при химической реакции щелочного раствора перекиси водорода с хлором. Реакция передачи возбуждения происходит в газовом потоке, куда впрыскивается йод в смеси с буферным химически инертным газом. Мощность излучения достигает 105-106 Вт [14].