Ионные лазеры на парах металлов с разрядом с полым катодом (стр. 1 )

ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ С РАЗРЯДОМ С ПОЛЫМ КАТОДОМ

«Энциклопедия низкотемпературной плазмы». Том XI-4. «Газовые и плазменные лазеры». М., Физматлит. 2005. С.446-459

Ионные лазеры на парах металлов и других химических элементов (далее на парах металлов) с разрядом с полым катодом (И. л. п. м. с РПК) используют для накачки активной среды плазму отрицательного свечения (ОС) РПК, являются частью обширного класса лазеров на парах металлов и генерируют излучение в непрерывном и импульсно-периодическом режимах в общей сложности на 272 переходах в спектрах однократных ионов 26 химических элементов, принадлежащих УФ, видимой и ИК областям спектра (224,3нм…3мкм) (Таблица 1). Генерация происходит, как правило, в смеси с буферным инертным газом. Отметим, что И. л. п. м. с РПК, использовавшие для генерации пары Hg, Cd и Zn, были одними из первых ионных лазеров на парах металлов. К И. л. п. м. с РПК и по режиму разряда, и по механизму накачки примыкают лазеры с РПК, работающие на 13 ионных переходах трех инертных газов: Ar, Kr и Xe в смеси с буферным газом - гелием, которые также включены в Таблицу 1. Большинство элементов (23) в нормальных условиях газами не являются и требуют специальных мер по созданию необходимой их концентрации в газовой фазе (испарение, возгонка, катодное распыление). л. п. м. с РПК реализовано также возбуждение смеси паров нескольких активных веществ, и смеси паров с рабочим инертным газом в присутствии буферного газа. Полный перечень (индекс) длин волн излучения И. л. п. м с РПК и их идентификация содержатся в цитируемой литературе.

Отметим, что в области разряда, подобной ОС РПК, осуществляется возбуждение в ионных лазерах на парах металлов с поперечным высокочастотным разрядом емкостного типа (см.,), что во многом определяет сходство характеристик и выходных параметров лазеров этих типов.

Механизмами накачки большинства ионных лазерных переходов металлов в плазме ОС РПК являются неупругие столкновения второго рода: иона инертного газа и атома металла (перезарядка в условиях случайного резонанса), а также возбужденного в метастабильное состояние атома гелия и атома металла (Пеннинг-процесс). Накачка ионных переходов Ar, Kr и Xe в смеси с гелием осуществляется резонансной передачей энергии возбуждения от метастабильного атома гелия - ионам Ar+, Kr+ или Xe+ в основном состоянии. Кроме того, четыре ионных перехода Cd и Zn помимо режима накачки Пеннинг-процессом в смеси с гелием, могут эффективно возбуждаться столкновениями с электронами и в отсутствии буферного газа. Отметим, что по сравнению с возбуждением в положительном столбе (ПС) продольного разряда (см., статью Ионные катафорезные лазеры на парах металлов) возбуждение в РПК приводит для большинства лазерных переходов к существенному улучшению их характеристик, а также - к возникновению генерации на линиях, которая в ПС отсутствовала.

Для реализации первых трех механизмов, а также для зажигания разряда и предварительного разогрева "холодной" разрядной трубки до температуры, предотвращающей конденсацию паров металла, защиты окон трубки от запыления парами металла, для обеспечения катодного распыления - в И. л. п. м. с РПК и используется буферный инертный газ, концентрация атомов которого примерно на 2 порядка выше концентрации рабочих атомов. В качестве буферного газа с большинством активных веществ используется гелий, реже-неон, применяются также тяжелые инертные газы и как основной буферный газ, и как добавки в гелий для интенсификации катодного распыления.

В стационарном и квазистационарном режимах И. л. п. м. с РПК склонны к переходу разряда из аномального тлеющего - в дуговой и появлению пространственной неоднородности, что не позволяет ввести в среду оптимальную мощность накачки и ограничивает величину мощности излучения. Поэтому успешно применяется режим возбуждения короткими импульсами (t~0,1…1мкс), в течение которых неоднородности разряда не успевают развиться, и можно сообщить активной среде оптимальный уровень накачки, а изменением частоты следования импульсов регулировать среднее значение вкладываемой мощности и, следовательно, - мощности излучения.

И. л. п. м. с РПК существенно расширили набор длин волн излучения газоразрядных лазеров в наиболее важных для практики областях спектра - видимой и УФ, с мощностью излучения на отдельных линиях порядка 1 Вт в непрерывном, квазинепрерывном и импульсно-периодическом режимах. Созданы сравнительно простые по конструкции УФ И. л. п. м. с РПК в диапазоне длин волн 0,22—0,32 мкм (с милливаттным уровнем мощности в непрерывном режиме), а также лазеры, излучающие на нескольких линиях в различных частях видимого спектра, в том числе - в непрерывном режиме на трех основных цветах: синем, зеленом и красном, дающих излучение "белого" света. И. л. п. м. с РПК обладают узкими линиями генерации, а в непрерывном режиме имеют принципиально низкий уровень шумов излучения.

1. Активная среда И. л. п. м. с РПК.

Активная среда И. л. п. м. с РПК представляет собой слабоионизованную неравновесную низкотемпературную плазму ОС при среднем давлении газовой смеси.

Режим разряда. Схема вариантов взаимного расположения электродов разрядной трубки И. л. п. м. с РПК показана на рис.1. Катод имеет цилиндрическую полость (или "паз" в катодном блоке), ось которой совпадает с осью оптического резонатора. Анод приближен к катодной полости, и положительный столб как правило отсутствует. Диаметр полости непрерывных И. л. п. м. с РПК -1…5мм, импульсных - до 4см. Аномальный тлеющий разряд происходит при средних давлениях газовой смеси: буферного газа - 1…20 Торр, и паров металла - порядка 0,05…0,3 Торр, плотности тока разряда с поверхности катода - j ~10…250 мА*см-2 (непрерывный режим), и до 1 А*см-2 (квазинепрерывный режим и режим накачки импульсами тока μs-длительности). Условия разряда выбираются такими, чтобы ОС, где происходит возбуждение активной среды лазера, было сосредоточено внутри полости катода, в то же время оптимальное для генерации давление может несколько превышать величину, соответствующую эффекту полого катода. Электрическое поле в ОС невелико и зависит от типа разряда и конфигурации электродов (см., ниже). Между поверхностью катода и ОС располагается тонкий слой катодного темного пространства (КТП), в котором сосредоточено практически все падение потенциала катодной области, т. е. UК≈UКТП, составляющего для стационарного РПК порядка 102В, а для импульсного - до 2000 В (при напряженности поля (¶U/¶r)КТП~103...104 В*см-1). Динамическое (дифференциальное) сопротивление РПК положительное.

Энергетическое распределение электронов. Электроны, эмитированные поверх-ностью ”холодного” катода со скоростью порядка тепловой, проходят область КТП практически без столкновений и набирают к границе КТП-ОС энергию eo, численно равную падению напряжения на КТП, т. е. eo≈eUКТП., порядка сотен эВ. Далее эти "первичные" быстрые электроны (наз. иногда "монокинетическими" или "электронами пучка") по мере продвижения в радиальном направлении к оси катодной полости, теряют свою энергию при неупругих столкновениях с атомами смеси. При этом происходит преимущественное возбуждение и ионизация высокопотенциального буферного газа (вероятность столкновений с атомами металла мала), и в результате электроны "релаксируют" в область меньших энергий. В области с e<80эВ резко возрастает вероятность упругих столкновений, и распределение скоростей электронов из анизотропного (на периферии ОС, при высокой энергии) ближе к оси становится изотропным. При такой траектории быстрых электронов важную роль играет их "фокусировка" вблизи оси из-за отрицательной кривизны эмитирующей поверхности катода.

В результате ионизации газа в ОС появляются вторичные электроны с энергией не превышающей нескольких десятков эВ (буферный газ - гелий), число которых растет по направлению к оси и на порядок превышает число быстрых электронов, однако лишь весьма малая их часть (<<числа первичных электронов) обладает энергией, достаточной для ионизации и возбуждения буферного газа, большинство же имеет "тепловую" энергию,.

В результате, в высокоэнергетической области от eV* (V* - первый потенциал возбуждения газа) вплоть до eUКТП, интегральная функция распределения электронов по энергиям (ФРЭ), (которую можно найти в том числе и при решении уравнения Больцмана), в ОС является существенно немаксвелловской, с избытком быстрых электронов (рис.2,а). Имеется пик при энергии, равной eUКТП, относящийся к остаточному числу первичных электронов, не испытавших столкновений в ОС. Второй "размытый" пик при энергии (eUКТП-eV*) относится к электронам, испытавшим одно столкновение, и плавно переходит в "хвост" ФРЭ, образованный первичными электронами, претерпевшими несколько столкновений, и относительно небольшим числом высокоэнергетических вторичных электронов. Имеется также наиболее многочисленная группа тепловых (или плазменных) вторичных электронов с энергией меньшей eV*, неспособных к актам возбуждения. Малое электрическое поле в ОС определяет для них близкую к максвелловской ФРЭ, с температурой Те~0,1…1 эВ, которая растет с ростом тока и уменьшением давления. Конкретный вид ФРЭ в данной точке ОС зависит от давления газа и от радиальной координаты, а в трубке, показанной на рис. 1,а – еще и от продольной координаты (см., ниже).

Однако, даже если в область ОС попадает не строго монокинетический пучок быстрых электронов, а несколько "размытый" в сторону низких энергий (о чем говорят модельные расчеты процессов в КТП методом Монте-Карло), в условиях разряда И. л. п. м. с РПК такое "размытие" существенно не влияет на процессы возбуждения и ионизации в ОС.

Таким образом, КТП выступает по отношению к ОС "в качестве внешнего ионизатора", и формирование ФРЭ осуществляется "со стороны" высоких энергий". Для сравнения скажем, что в плазме ПС продольного разряда - активной среде Ионных катафорезных лазеров на парах металлов (см.,), напротив, электроны ускоряются от тепловой, (практически "нулевой") энергии до энергии, достаточной для ионизации, в условиях непрерывных потерь энергии при частых неупругих столкновениях (главным образом-с атомами металла), вероятность которых в припороговой для возбуждения и ионизации атомов области - максимальна). Это препятствуют разгону электронов до высоких скоростей и энергий, достаточных для ионизации высокопотенциального инертного газа. И ФРЭ в ПС, по сравнению с максвелловской, имеет дефицит быстрых электронов и является более чувствительной к давлению паров, чем в ОС РПК (см., ниже).