Ионные лазеры на парах металлов с разрядом с полым катодом (стр. 5 )

Наибольшая плотность тока имеет место для "перезарядочных" переходов, из которых для линий 533,7/537,8нм Cd II она минимальна. Даль­нейшему увеличению мощности при увеличении тока для большинства линий, возбуждаемых перезарядкой, препятствует рост скоростей воз­буждения нижнего и дезактивации верхнего лазерных уровней из-за столкновений ионов с тепловыми электронами, а для линий, возбуж­даемых пеннинг-процессом - столкновения с электронами и падение концентрации атомов гелия в метастабильных состояниях.

При малой частоте следования импульсов (ЧСИ) импульсная мощность максимальна, средняя за период мощность растет с ростом ЧСИ вначале линейно, далее при оптимальной ЧСИ насыщается и в дальнейшем снижается, что определяется накоплением тепловых электронов в межимпульсный период. При оптимальном значении ЧСИ (возрастающей с уменьшением t), пиковая мощность составляет примерно половину от ее значения при малой частоте.

Удельная мощность излучения при микросекундной накачке в 4-15 раз выше, чем в квазинепрерывном режиме, а этот факт лишь отчасти может быть объяснен более высокой плотностью тока. Как показали детальные исследования плазмы таких лазеров и анализ процессов, приводящих к возбуждению линий, при малых τ, во-первых, не успевает образоваться большое число низкоэнергетических тепловых электронов с энергией порядка долей и единиц эВ, поэтому электронное девозбуждение в такие интервалы времени малоэффективно и мощность накачки с наибольшей эффективностью преобразуется в лазерное излучение. Во-вторых, скорость возбуждения ионных переходов металлов обусловлена в конечном счете энергией и концентрацией первичных электронов, прошедших КТП, потенциал которого при микросекундном возбуждении в несколько раз превосходит стационарное значение. И, в-третьих, электрическое поле в ОС (достигающее 102 В/см) приводит к дополнительному увеличению энергии вторичных электронов, с одной стороны - снижая вредные сверхупругие столкновения, а, с другой - увеличивая скорость возбуждения.

Наилучшими характеристиками обладают импульсные He-Hg, Ne-Tl, He-Kr, He-Cd и He-Zn импульсные И. л. п. м. с РПК, а также Cd- и Zn-импульсные И. л. п. м. с РПК, возбуждающиеся без буферного газа.

He-Hg импульсный И. л. п. м. с РПК. Измерения проводились для заселяемой перезарядкой линии 615,0 нм в трубках различных типов, при этом диаметр катода варьировался от 0,6 до 4см. Наибольшие удельная пиковая мощность (0,5 Вт/см3) и ненасыщенный коэффициент усиления (0,07см-1, 30дБ/м) зарегистрированы в трубке с катодом диаметром 0,6см при плотности тока разряда 0,9А/см2 и при t=1мкс, в то время как максимальной средней мощности и наибольшей оптимальной ЧСИ (50кГц) соответствует t=0,3мкс. Наибольшая пиковая мощность (~102Вт) зарегистрирована для катода диаметром 4см, а наибольшая средняя (0,88 Вт) для катода диаметром 2см и длиной 100 см при оптимальной ЧСИ, равной 40кГц. Высокое усиление (до 0,3 дБ/см) в сочетании с медленным падением импульсной и монотонным ростом средней мощности излучения при увеличении диаметра катода позволяет конструировать He-Hg И. л. п. м. с РПК с большой апертурой (D/L - до ~0,25).

Ne-Tl импульсный И. л. п. м. с РПК.. Наибольшие ненасыщенный коэффициент усиления (0,035см-1, 15дБ/м) и мощность генерации (0,5 Вт/см3) зарегистрирована для желтой линии 595,0нм Tl II, переход 7p 3P2o - 7s 3S1 Tl II, накачиваемой в смеси паров таллия с неоном перезарядкой:

Neo+(2S1/2) + Tlo(5d106s26p 2P1/2°) ® Tl+*(5d107p 3P2°) + Neo(1So) + (ΔE=0,33эВ),

Эта линия является наиболее интенсивной из всех лазерных переходов в триплетной и синглетной системе термов Tl II: 7p 1,3Po - 7s 1,3S. Полное сечение перезарядки составляет 3*10-15 см2, парциальное на уровень 7p 3P2 -1,2*10-15 см2.

Наибольшие пиковая (около 30Вт) и средняя (0,285 Вт) мощность - зарегистрированы для катода диаметром 2см и длиной 60 см при оптимальной ЧСИ, равной 15кГц. Для линии 595,0нм имеет место сверхтонкое и изотопическое расщепление, в результате в излучении имеются 3 компоненты, расстояние между двумя наиболее интенсивными из которых составляет около 0,05нм. Изотопическое расщепление значительно меньше сверхтонкого, и применение моноизотопа эффекта не дает.

He-Kr импульсный И. л. п. м. с РПК. Наиболее интенсивный переход Kr II 6s 4P5/2 - 5p 4D7/2 (l=469,4 нм), возбуждается в смеси He-Kr резонанасной передачей энергии от метастабильного атома гелия в состоянии 23S - иону криптона:

Hem(2s 3S1) + Kro+(4p 2P3/2) ® Kr+*(6s 4P5/2) + Heo(1s2 1So) + (ΔE=0,33эВ),

Генерация достигает максимума в ближнем послесвечении разряда. В режиме накачки микросекундными импульсами тока усиление и мощность на этом переходе (6дБ/м и около 1Вт/cм3) значительно выше, чем в непрерывном и квазинепрерывном режимах (0,16дБ/м, 0,06 Вт/cм3), а оптимальный ток и мощность излучения близки к параметрам He-Hg и Ne-Tl импульсных И. л. п. м. с РПК.

He-Cd, He-Zn и He-Cu импульсные И. л. п. м. с РПК. Наибольшие коэффициент усиления и мощность в видимой области спектра зарегистрированы в смеси He-Cd на синей 441,6нм (5 дБ/м, 0,25 Вт/см3) и зеленых 533,7/537,8нм (4,5 дБ/м, 0,04 Вт/см3) линиях CdII, усиление на ИК переходах 728,4нм и 806,7нм CdII - 6 и 7,5 дБ/м, однако выходная мощность невелика.

Среди линий иона цинка в смеси He-Zn наибольшие коэффициент усиления и мощность зарегистрированы на голубых 492,4/491,2нм Zn II (7,5/7 дБ/м, 0,15 Вт/см3) и на ИК переходе 758,8нм ZnII (5 дБ/м, 0,017 Вт/см3), заселяемых перезарядкой.

Исторически одним из первых был реализован режим накачки D*-P переходов Cd II (441,6 и 325,0нм) и Zn II (747,8 и 589,4нм) в импульсном РПК без буферного газа с коэффициентом усиления значительно большим, чем в смеси с гелием. Генерация в этом режиме происходит во время импульса тока при на порядок большем, чем в смеси с гелием, давлении паров (до 2Торр), возбуждение осуществляется столкновениями с быстрыми электронами плазмы ОС за счет большого сечения процесса (1,5*10-16 см2) в области высоких энергий электронов.

Весьма высокий коэффициент усиления(33,5дБ/м) зарегистрирован на ИК переходе 6s 3D3 - 5p 3F4° CuII (780,8нм), заселяемом перезарядкой в смеси He-Cu, мощность около 0,2 Вт/см3. Необходимая для испарения меди температура достигалась при помещении щелевого трубчатого катода и протяженного стержневого анода (трубка "поперечного" типа) в теплоизолятор лазера на парах меди, работающего на "самоограниченных" атомарных переходах.

2.3. Непрерывные и квазинепрерывные И. л. п. м. с РПК и катодным распылением.

Как впервые было показано в одной из первых работ по И. л. п. м. с РПК на примере кадмия и цинка, распылен­ный материал катода может служить активным веществом лазеров с РПК. В дальнейшем катодное распыление как механизм создания паров металла в И. л. п. м. с РПК было успешно использовано для таких металлов, как Сu, Ag, Au, Al, Ni, Sn и Pb, требующих слишком высокой температуры (более 1100°С) при термоиспарении.

Особенности конструкций разрядных трубок. Использовались разрядные трубки как ”поперечного”, так и “продольно-поперечного” типов, в которых цилиндрическая или в виде паза катодная полость выполнялась в массивном катодном блоке, во избежание перегрева и деформации охлаждаемом, как правило, водой (см., рис.4). Катод либо целиком изготовлялся из рабочего металла (меди, алюминия, никеля), либо имел продольную вставку-вкладыш с полостью из кадмия, цинка, серебра, золота или других металлов в охлаждаемом блоке.

С целью повышения скорости распыления атомов меди применялись конструкции типа ПАК(см., рис.4,д) и со спиральным катодом, обеспечивающих повышеннную концентрацию и энергию ионов, бомбардирующих катод.

Катодная полость может быть образована также тремя (или шестью) стержнями, расположенными равномерно по образующей цилиндра (см., рис.4,е) или тремя свитыми спиралями (”трехзаходной спиралью”), подключаемыми непосредственно к трехфазной электрической сети без выпрямителя.

Поскольку скорость распыления сильно зависит от массы иона основного (буферного) газа и минимальна для гелия, в разряд гелия для интенсификации распыления вводились небольшие (до 5%) добавки тяжелых инертных газов - Аr, Кr или Хе.

л. п. м. с РПК с катодным распылением. Наилучшими энергетическими характеристиками среди И. л. п. м. с РПК и катодным распылением обладают ионные переходы меди, серебра и золота, возбуждаемые в смесях He-Cu, Ne-Cu, He-Ag, Ne-Ag, He-Au и Ne-Au. Генерация зарегистрирована в общей сложности на 110 ионных лазерных переходах, из них 107 заселяется перезарядкой, 3 перехода - Пеннинг-процессом.

He-Cu и Ne-Cu И. л. п. м. с РПК и катодным распылением. Наибольшая мощность излучения в УФ-области как в непрерывном, так и в квазинепрерывном режиме достигалась на ионных переходах CuII: на линии 270,3 нм - 34 мВт при удельной мощности 5 мВт/см3 в непрерывном режиме и 0,5 Вт (при 56 мВт/см3) в квазинепрерывном; а на семи линиях в диапазоне 248,5-270,3 нм - 1,25 Вт при удельной мощности 140 мВт/см3 в квазинепрерывном режиме. Наибольший ненасыщенный коэффициент усиления имела линия 248,5 нм CuII в квазинепре­рывном режиме при токе 2 А/см2 - 8,3 %/м, пороговый ток для нее равнялся 200 мА/см2. Наибольшая мощность среди линий видимого и ближнего ИК-диапазонов 1 Вт в непрерывном и 5Вт в квазинепрерывном режимах (удельная мощность-0,25Вт/см3) и наименьший пороговый ток 20 мА/см2 зарегистрированы на линии 780,8 нм CuII. Максимальная же удельная мощность в непрерывном режиме на этой линии соответствует плотности тока 0,3 А/см2. Генерация на линии 780,8 нм зарегистрирована и при создании атомов меди путем диссоциации ее галогенидов.

Сравнение эффективности He-Cu И. л. п. м. с РПК с катодным распылением и с термоиспарением, а также измерения плотности паров меди при распылении показали, что в лазерах с распылением реализуется плотность атомов металла (около 1014 см-3), на порядок меньшая оптимальной.