Ионные лазеры на парах металлов с разрядом с полым катодом (стр. 4 )

He-Cd И. л. п. м. с РПК. Наибольший интерес представляют синяя, зеленые и красные ионные линии Cd II, обладающие наибольшей мощностью и делающие этот лазер источником трехцветного ("белого") излучения с тремя длинами волн, близкими к углам цветового треугольника МКО.

Красные линии 635,5 и 636,0нм (переходы 6g 2G7/2,9/2-4f 2F5/2,7/2 Cd II) возбуждаются в плазме ОС РПК путем перезарядки ионов гелия на атомах кадмия (полное эффективное сечение 3,5 10-16 см2):

Heo+(1s 2S1/2) + Cdo(4d105s2 1So) ® Cd+*(4d106g 2G7/2,9/2) + Heo(1s2 1So) + (ΔE=0,2эВ),

Зеленые линии 533,7 и 537,8 нм (переходы 4f 2F5/2,7/2-5d 2D3/2,5/2 Cd II) возбуждаются путем радиационных (6g-4f) и безызлучательных переходов (сверхупругими "тушащими" электронными столкновениями) с уровней 6g и других (6f, 6h, 8d, 9s и 9p), заселяемых перезарядкой непосредственно и интенсивно перемешивающихся между собой столкновениями с тепловыми электронами ОС:

Cd+*(4d106g) ® Cd+*(4d10 4f 2F5/2,7/2) + hν, и

Cd+*(4d106g)+e ® Cd+*(4d10 4f 2F5/2,7/2) + ē + (ΔE).

Отметим, что непрерывная генерация на красных и зеленых линиях CdII при возбуждении в ПС отсутствовала (см., Ионные катафорезные лазеры на парах металлов).

Синяя линия 441,6 нм (переход 4d95s2 2D*5/2-4d105p 2P*3/2 СdII) возбуждается 3-мя механизмами: а)Пеннинг-процессом – с участием главным образом метастабильных (Hem), но также и других возбужденных (He*) атомов гелия:

Hem(He*) + Cdo (4d105s2) ® Cd+*(4d95s2 2D*5/2,3/2) + Heo(1s2 1So) + ē + (ΔE).

(Полное эффективное сечение Пеннинг-процесса по различным данным - (6,5…10,6)*10-15см2, его парциальный коэффициент для уровня 2D*5/2 Cd II - 0,22, величина ΔE для метастабилей 21So и 23S1 составляет 3,03 и 2,2 эВ соответственно), а также б)прямыми:

ē + Cdo(4d105s2 1S0) ® Cd+*(4d95s2 2D*5/2,3/2) + 2e;

и в)ступенчатыми электронными столкновениями:

ē+Cdo(4d105s2 1S0)®Cdo+(4d105s1 2S1/2)+2e;ē+Cdo+(4d105s1 2S1/2)®Cd+*(4d95s2 2D*5/2,3/2)+e;

Парциальный вклад этих трех механизмов в накачку линии 441,6 нм зависит от давлений гелия и паров кадмия и в оптимальных условиях равен 70/30/1.

Для лазерных линий, заселяемых перезарядкой, оптимальное давление паров металла (0,23Торр) больше, чем для заселяемых Пеннинг-процессом (0,1Торр). Оптимальное давление гелия и плотность тока для красных, зеленых и синей линий различны и составляют около 7,5, 17,2 и 14 Торр, и j~30, 40 и 55 мА*см-2 соответственно, а примерное соотношение мощностей при этом 1/4/10.

Оптимум для красных линий 635,5/636нм достигается при наименьшем давлении гелия, при этом первичные электроны с высокими энергиями достигают оси катодной полости, где потери резонатора минимальны. Образование атомов гелия в метастабильных состояниях, ответственных за накачку Пеннинг-процессом синей линии 441,6нм, обеспечивается электронами средних энергий, чему соответствует большее давление гелия. И, наконец, для зеленых линий 533,7/537,8нм, заселяемых при столкновениях с медленными электронами "перезарядочных" уровней CdII - оптимальное давление наиболее высокое.

Мощность излучения на линии 441.6 нм достигает 150 мВт (удельная - до 15 мВт*см-3), в миниатюрных разрядных трубках при полной мощности около 5 мВт удельная превышает 60 мВт*см-3 , что близко к характеристикам генерации на этой линии при возбуждении в ПС (см., Ионные катафорезные лазеры на парах металлов). Т. к. уровень 4d95s2 2D* расщеплен за счет изотопического эффекта, то при использовании вместо кадмия естественного изотопного состава - моноизотопа (напр.,- 114Cd или реже - 112Cd), коэффициент усиления возрастает в χ-1 раз (χ - изотопический фактор, равный относительному содержанию самого распространенного изотопа в смеси, χCd=0.287), на зеленых и красных линиях изотопическое расщепление отсутствует.

Оказалось, что на линии 537,8 нм столкновительное (с тепловыми электронами плазмы ОС) уширение достаточно велико, однородная ширина линии сравнима с доплеровской, и генерация в коротких трубках легко может быть осуществлена в одночастотном режиме.

Шум излучения на всех переходах при стабилизации тока разряда не превышал 1% rms. Длина когерентности на каждой из линий - порядка 102см.

Трехцветное одновременное излучение при использовании широкополосных зеркал резонатора наблюдалось во всех описанных конструкциях разрядных трубок (за исключением трубки с ПАК). В этом режиме соотношение мощностей на синей, зеленых и красных линиях сильно зависит от давлений и тока. Так, для сбалансированного по мощностям излучению (1/1/1) оптимальным является PHe=8,2 Торр, PCd=0,23Торр, и j»40 мА*см-2 (при этом суммарная мощность излучения снижается в ~20 раз). Режим с максимальной суммарной мощностью (красные/зеленые/синяя лазерные линии - 0,5/3,5/7) реализуется при PHe=10Торр, PCd=0,1Торр, и j~40 мА*см-2.

Генерация наблюдается также на нескольких ИК переходах Сd II, заселяемых перезарядкой непосредственно: 4d106f 2Fo5/2,7/2 - 4d106d 2D3/2,5/2 (λ=723,7 и 728,4нм, ΔE=0,23эВ) и 4d109s 2S1/2 - 4d107p 2P3/2 (λ=887.8 нм, ΔE=0,26эВ), а также - на переходах 4d106p 2Po1/2,3.2 - 4d106s 2S1/2 (λ=853,0 и 806.7 нм), заселяемых каскадными столкновительными и радиационными переходами с вышележащих уровней конфигураций 4d106f, 4d109s, 4d109p (ΔE=0,2 и 0,1эВ) и др., заселяемых перезарядкой непосредственно.

He-Hg И. л. п. м. с РПК. Непрерывная генерация наблюдалась на двух компонентах дублета HgII 5d107p 2Po3/2,1/2 - 5d107s 2S1/2 (λ=615,0 нм и 794,5 нм ) в смеси только с гелием. Из двух энергетически возможных механизмов накачки:- перезарядки и пеннинг-процесса с участием метастабильных атомов ртути, совместимой с измеренными зависимостями мощности генерации на указанных линиях от параметров разряда, является только перезарядка ионов гелия на атомах ртути:

Heo+(1s 2S1/2) + Hgo(5d106s2 1So) ®Hg+*(5d107p 2Po3/2,1/2) + Heo(1s2 1So) +(ΔE),

Для уровня 7p 2Po3/2 HgII (λ=615,0 нм) дефект энергий ΔE=0.27 эВ, парциальное сечение перезарядки - 3*10-15 см2 превышает газокинетическое, а для уровня 7p 2Po1/2 HgII (λ=794,5 нм ) - ΔE=0.72 эВ и 4*10-16 см2, соответственно. Разрядная трубка типа показанной на рис.3,д, температура испарителя невысока (около 100oC).

Наибольшая удельная мощность на одной линии - 33 мВт/см3 - зарегистрирована на линии 615 нм в миниатюрной трубке, при этом накачка была близкой к оптимальной (почти на порядок превышает мощность при накачке в плазме ПС - 4 мВт/см3). Поскольку для уровня 7p 2Po3/2 HgII изотопическое расщепление значительно превышает доплеровское, и изотопический фактор χHg =0.3, то применение четного моноизотопа ртути позволяет повысить коэффициет усиления в 3.3 раза

л. п. м. с РПК. Мощность порядка нескольких десятков мВт и удельная мощность порядка 5…10 мВт/см3 зарегистрированы в He-Zn непрерывном И. л. п. м. с РПК на голубых (491,2/492,4нм), желтой (589,4нм) и ИК (747,9 и 758,8нм) ионных линиях цинка, а также в He-I непрерывном И. л. п. м. с РПК на линиях иода в видимой области спектра, однако пары иода вряд ли являются подходящим для РПК веществом из-за химического взаимодействия с электродами. Заселение линий 589,4нм и 747,9нм происходит Пеннинг-процессом, а остальных линий Zn II и J II - перезарядкой (ΔE=0.05…1эВ). Худшие, чем в ПС, характеристики имеют И. л. п. м. с РПК на парах селена и теллура, что связано, видимо, также с химическим взаимодействием.

В пределах контуров линий 533,7/537,8нм и 635,5/636нм CdII, 610,2нм ZnII и 615нм HgII имеется достаточное число стабильных по частоте линий поглощения в молекулярном иоде J2, пригодных для стабилизации по ним этих И. л. п. м. с РПК. Однако и без дополнительных мер для линий 533,7/537,8нм CdII относительная нестабильность частоты Dn/no ~ 10-8.

2.2. л. п. м. с РПК и термоиспарением.

В режиме накачки микросекундными импульсами тока работали первые И. л. п. м. с РПК: на парах ртути в смеси He-Hg, а также на парах кадмия и цинка как в смеси с гелием, так и без буферного газа. Для первого лазера использовалась трубка "продольно-поперечного" типа, а для второго и третьего-трубка "поперечного" типа с трубчатым щелевым катодом и протяженным анодом.

При длительности импульса тока t~0,1…1мкс скорость ионизации и возбуждения буферного газа плавно растут в течении импульса тока и резко за доли мкс обрываются после его окончания. При удлинении импульса монотонный рост плотности тепловых электронов способствует увеличению частоты девозбуждающих столкновений этих электронов с ионами металла в верхнем лазерном состоянии, что приводит к дополнительной накачке нижнего уровня и срыву инверсии через 2-3 мкс. Увеличение Те для этих электронов в поле ОС сдерживает влияние этого механизма. Оптимальная плотность тока при микросекундной накачке по сравнению с квазинепрерывным режимом возрастает от 3 до 15 раз, что соответственно увеличивает и мощность. При удлинении t оптимальная амплитуда импульса тока снижается. Импульсная мощность излучения максимальна при длительности импульса тока τ, равной 1-2 мкс.