Ионные катафорезные лазеры на парах металлов

ИОННЫЕ КАТАФОРЕЗНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ

«Энциклопедия низкотемпературной плазмы». Том XI-4. «Газовые и плазменные лазеры». М., Физматлит. 2005. С. 460-468 С.446-459

Катафорезными лазерами на парах металлов (далее-КЛ) называют ионные лазеры непрерывного действия, использующие явление катафореза для создания равномерной аксиальной концентрации паров металла в положительном столбе (ПС) разрядной трубки со стационарным продольным разрядом. КЛ обеспечивают непрерывное лазерное излучение на переходах в спектрах однократных ионов 12 химических элементов (первые из которых являлись металлами, откуда и возникло данное название), возбуждаемых в смеси с буферным инертным газом в плазме ПС (Таблица 1). Возможно также возбуждение смеси паров нескольких активных веществ. Полный перечень (индекс) длин волн излучения КЛ, занимающих УФ, видимую и ближнюю ИК области спектра (325.0…1260 нм) и их идентификация содержатся в цитируемой литературе.

Механизмами накачки большинства лазерных переходов КЛ являются неупругие столкновения второго рода: атомов металла и возбужденных атомов гелия (Пеннинг-процесс), либо атомов металла и ионов инертного газа (перезарядка), часть переходов возбуждается столкновениями с электронами. Для реализации первых двух механизмов, а также для зажигания разряда в "холодной" разрядной трубке, защиты окон трубки от запыления парами металла, для обеспечения транспортировки паров за счет катафореза, необходим буферный инертный газ, концентрация атомов которого на 3-4 порядка выше концентрации атомов металла. Гелий используется в качестве буферного газа чаще, неон - реже.

В разрядных трубках лазеров на парах металлов, до начала использования катафореза, гранулы металла располагались либо на внутренней поверхности рабочей части разрядной трубки (стеклянной, кварцевой и пр.), либо в специальных испарителях в виде нескольких отростков от нее, что требовало громоздких нагревательных элементов, и в целом приводило к градиентам плотности паров металла в продольном направлении, делало невозможной независимую регулировку концентрации паров металла и тока разряда, и, как следствие, - приводило к неоптимальным условиям разряда, запылению оптических окон парами металла, большому расходу металла и недобору мощности.

Эти трудности были преодолены путем использовании явления катафореза (см., ниже) для создания потока атомов металла вдоль трубки, обеспечившего их однородное аксиальное распределение, что впервые было реализовано для смеси гелий-пары кадмия[1-3], а затем еще для шести веществ [4]. В результате этих и последовавших за ними экспериментов, эффективная непрерывная генерация зафиксирована более, чем на 120 ионных лазерных линиях 12-ти элементов (табл. 8.1). Подробные сведения о катафорезных ЛПМ, включая идентификацию переходов, параметры генерации, полную библиографию и др., содержатся в [5-7].

Упрощенная схема катафорезного ЛПМ вместе с резонатором и источником питания показана на рис.1. Рабочая часть трубки-капилляр (в котором создается плазма ПС) имеет сравнительно малый диаметр, и находится в режиме саморазогрева протекающим разрядным током. Пары рабочего вещества поступают в капилляр из нагреваемого внешним нагревателем испарителя, присоединенного к капилляру вблизи анода трубки. Конденсация прошедших за счет явления катафореза (см., ниже) через капилляр паров происходит в конденсаторе вблизи катода.

Типичные размеры разрядных трубок КЛ: внутренний диаметр капилляра трубки - d~1…4мм, длина L~20…200 см, диаметр конденсатора обычно на порядок больше диаметра капилляра ( ≥20 мм), рабочая температура испарителя приведена для каждого металла в таблице 1. Температура внутренней стенки капилляра должна быть несколько выше во избежание конденсации на ее поверхности паров, концентрация которых в пристеночной области из-за радиального катафореза повышена. Требуемая температура стенки в режиме саморазогрева определяется величиной вкладываемой удельной мощности Руд=Ez*j (Ez - напряженность поля ПС, j-плотность разрядного тока). Конденсатор паров может быть холодным, однако небольшой его нагрев уменьшает сорбцию буферного газа и увеличивает ресурс трубки. Кроме того, разрядная трубка может иметь и дополнительный "подпитывающий" резервуар с буферным газом (не показанный на рисунке), что компенсирует убыль буферного газа в процессе эксплуатации. Режим работы катода значения для работы лазера не имеет, однако больший ресурс трубки обеспечивают "холодные" алюминиевые катоды. Источником питания КЛ служит стабилизатор тока с балластным резистором.

Плазма ПС разряда в КЛ.

Наиболее полные данные имеются для смеси гелия с парами кадмия – активной среды He-Cd КЛ, однако основные закономерности сохраняются и для других смесей гелия с парами веществ, для смесей с неоном справедлива только качественная сторона.

Параметры разряда и плазмы. Активная среда КЛ представляет собой слабоионизованную неравновесную низкотемпературную плазму ПС при средних давлениях газовой смеси: буферного газа - 1…20 Торр, паров металла - порядка нескольких миллиТорр, плотности тока разряда - j ~ ~1…5 А*см-2.

В этих условиях главным каналом нейтрализации заряженных частиц является. амбиполярная диффузия на стенку и рекомбинация на ней (диффузионный режим ПС). Распределение электронов по энергиям – близкое к максвелловскому с дефицитом энергии в области, где происходят неупругие столкновения электронов с атомами смеси. Электронная температура Те убывает с ростом давления буферного газа и критична к давлению паров металла (рис.3,а) и в оптимальном по давлению паров режиме составляет несколько эВ. При введении в буферный газ паров металла наряду с ростом концентрации электронов ne, величину которой можно экстраполировать формулой ne ≈ 0,57*1013*j*PHe/Ez, (буферный газ-гелий) и суммарной концентрации ионов, (т. к. ne= N +буф + N+м), происходит перераспределение числа ионов, а именно N+буф снижается, а N+м растет.(рис.3,б). Степень ионизации буферного газа θбуф=N+буф/Nбуф имеет порядок 10-5, рабочих атомов - θм=N+м/Nм – 10-2.

Напряженность поля ПС при оптимальной концентрации паров может быть экстраполирована формулами:

Ez≈ 0,6(11+PHe)/d и Ez=0,2(22+PNe)/d,

здесь Ez измеряется в В*см-1, P – в Торр, а d - в см.

Ez слабо возрастает с ростом давления буферного газа Pбуф и убывает с ростом концентрации рабочих атомов Nм (рис. 3). Дифференциальное (динамическое) сопротивление разряда зависит от частоты: при частоте, близкой к нулевой, - активное и имеет порядок R/L ≈ –10...100 Ом*см-1, при больших частотах имеет индуктивную и активную составляющие(XL/L ~ R/L ~200 Ом*см-1, f=1 МГц).

Возбужденные атомы и ионы в плазме. Образование атомов гелия Hem в метастабильных состояниях- (1s2s1,3S)- Hem происходит при неупругих столкновениях атомов гелия в основном -состоянии - Heo(1s2 1So) с быстрыми электронами ПС, а также - путем радиационных переходов с “вышерасположенных” возбужденных уровней He*(1snl1,3L):

e + Heo(1s2 1So) ® Hem(1s2s1,3S); He*(1snl1,3L) ® Hem(1s2s1,3S) + hν;

Ионы буферного газа, и гелия и неона, образуются в плазме ПС при неупругих столкновениях с электронами:

e + Heo(1s2 1So) ® He+(1s 2S1/2), и e + Hem(He*) ® He+(1s 2S1/2);

Ионизация атомов металла происходит главным образом при неупругих столкновениях электронов с атомами в основном состоянии

e + Mo ® Mo+ (Mo+*) +2e,

но заметный вклад при малой плотности тока может давать и процесс ионизации атомов металла при столкновениях с метастабильными (Hem) и возбужденными (He*) атомами гелия (Пеннинг-процесс), приводящий к заселению главным образом – основного ионного состояния Mо+:

Mo + He*(Hem) ® Mо+( M+*) + Heo(1s2 1So) + e + ΔE.

Однако для возбужденных ионных уровней металла вклад Пеннинг-процесса может значительно превышать вклад электронных столкновений.

При средних давлениях возбужденные молекулы буферного газа не образуются, а пары рабочего вещества, находящиеся при нормальных условиях в виде молекул (например, молекулы селена, иода и др.), испытывают в плазме ПС практически полную диссоциацию.

Катафорез.

Наличие бинарной смеси: основного буферного инертного газа с высоким потенциалом ионизации (для Не-24,6 эВ, для Ne - 21.6 эВ) и легкоионизуемой примеси-паров рабочего вещества (энергия ионизации 6.1...10.5эВ, концентрация на 3-4 порядка меньше, чем буферного газа) приводит и к существованию явления катафореза (см.), в результате использования которого в разрядной трубке КЛ создается однородная концентрации паров по длине ПС.

Свойство ПС газового разряда разделять за счет катафореза бинарную смесь газов, хорошо известно и вызвано селективной транспортировкой в направлении катода (вдоль оси z) примесной компоненты с низким потенциалом ионизации и с высокой степенью ионизации в плазме. Т. к. для плазмы КЛ θм>> θбуф, то такой компонентой являются пары рабочего вещества. Поток этой компоненты в направлении электрического поля Ez, вызванный потоком ионов - Гi,= θм*Nм*μiм*Ez (где μiм – подвижность ионов примесной компоненты). В противоположном направлении имеет место диффузионный поток нейтральных атомов этой компоненты Гдифф = D*( ∂Nм/∂z), где Dм – коэффициент диффузии атомов рабочего вещества в буферном газе.

Т. к. в разрядной трубке КЛ атомы металла выводятся из плазмы ПС в конденсаторе паров, расположенном вблизи катода, то диффузия навстречу полю отсутствует, в результате чего происходит перенос паров в направлении поля, и распределение плотности паров на участке между испарителем и конденсатором близко к однородному. На участке от испарителя в направлении анода при любом расстоянии от испарителя z оба потока равны, и решение получающегося дифференциального уравнения относительно концентрации паров Nм дает убывающую в направлении анода экспоненциальную зависимость

Nм(z) = Nм(0) *exp (θм*Nм*μi*Ez*z / Dм) (z≤0),

которая определяет протяженность зоны, содержащей пары, которая зависит от плотности тока разряда j, величины давления буферного газа и от концентрации паров Nм.

Поскольку для буферного газа степень ионизации θбуф примерно на 3 порядка меньше, ионный поток компенсируется диффузионным потоком, и переноса массы газа за счет катафореза не происходит.

Существование радиального поля в ПС приводит к радиальному катафорезу - повышению концентрации атомов металла у стенки трубки – (Nм)ст, которая оказывается в 3-4 раза большей, чем средняя по сечению и на 1-2 порядка выше, чем на оси ПС. Очевидно, что конденсации паров на стенке не будет при ее температуре Т≥Тmin, где Тmin –температура, соответствующая концентрации паров у стенки (Nм)ст. Значения Тmin приведены в Таблице 1.

Различие между концентрацией паров в испарителе и концентрацией на оси ПС сильно зависит как от конструкции испарителя, так и от параметров разряда (давления буферного газа, концентрации паров, плотности тока разряда j, состояния поверхности капилляра), и поэтому оптимальная для генерации температура испарителя также оказывается специфичной для каждой конструкции трубки и режима разряда, в связи с чем данные по температурам в таблице 1 являются ориентировочными.

Получение паров в испарителе может осуществляться либо нагревом (испарение или возгонка) либо "катодным распылением". Выносу паров из испарителя в сторону анода препятствует "удерживающая" секция капилляра, минимально необходимая длина которой определяется вышеприведенной экспоненциальной зависимостью Nм(z).

. Конструкция и размеры конденсатора должны обеспечивать максимальный «перехват» паров, который увеличивает иногда применяемая вспомогательная запирающая секция капилляра со стороны "катодного" окна разрядной трубки (см., рис.2,д и 2,е), разряд между катодом и вспомогательным анодом которой создает встречное по отношению к потоку паров поле, и дополнительно защищает «катодное» окно трубки от запыления парами рабочего вещества.

Поскольку концентрация паров в капилляре зависит от параметров разряда, состояния вещества в испарителе и т. д., то ее оптимальное и стабильное значение не может быть обеспечено одним лишь термостатированием испарителя. Поэтому регулировка его температуры осуществляется автоматически, используя в качестве параметра, по которому контролируется концентрация паров в капилляре - зависимость напряжения на трубке от концентрации паров - Uтр(Nм)≈U0+Ez(Nм)*L, где U0-суммарное напряжение на всех элементах трубки, исключая капилляр, L-длина капилляра. Зависимость Ez(Nм) приведена на рис.3. Температура испарителя. поддерживается такой, чтобы напряжение было равным Uтр =(Uтр)opt, где (Uтр)opt - величина напряжения при оптимальной концентрации паров. При более высоком оптимальном давлении буферного газа зависимость Ez(Nм) становится менее выраженной, поэтому для таких КЛ в качестве входного параметра схемы стабилизации лучше использовать дифференциальное сопротивление ПС.

Типы разрядных трубок.

В трубке простейшей конструкции (рис. 1) транспортировка паров осуществляется в одном направлении, и это приводит к двум основным недостаткам: неоправданно большому расходу рабочего вещества (около 1 г/1000 часов работы), зачастую дорогостоящих изотопически обогащенных металлов, и сорбции буферного газа. Эти проблемы были успешно решены в симметричной разрядной трубке (рис. 2,а), в которой через несколько десятков часов, по мере переноса всего вещества в зону конденсации, направление переноса меняется на обратное путем перемены функций катода и анода, испарителя и конденсатора.

Дополнительным источником низкочастотных шумов излучения является часто возникающая нестабильность в транспортировке паров - бегущие волны плотности паров с периодом порядка 1…10с. Это явление наиболее заметно проявляется для легколетучих веществ (напр. ртути в He-Hg КЛ) при значительном перегреве капилляра, т. е. при Т>>Тmin Плотность атомов в волне лавинообразно нарастает до таких ее значений, когда Т≤Т′min и начинается конденсация паров. Резкая передняя граница "сгустка" вызывается ростом скорости движения массы паров с ростом их концентрации. Три типа разрядных трубок позволяют предотвратить эти пульсации: трубка с сегментированным капилляром (набор из стеклянных сегментов, разделенных тонкими шайбами из рабочего вещества (кадмия) (рис.2,б и 2,в), трубка с перфорированным капилляром и подогревным диффузионным возвратным каналом, имеющим "сотовую" структуру, по которому пары диффундируют во встречном направлении по отношению к катафоретическому потоку (рис.2,г), а также трубка с капилляром переменного сечения, (секции капилляра разделяются стабилизирующими резервуарами большего диаметра) (рис.2,д). При малых давлениях буферного газа и высокой плотности тока возникает электрофорез буферного газа, приводящий к аксиальному градиенту его давления, возрастающего с ростом концентрации паров, и создающего аксиальный градиент концентрации паров. При использовании байпаса в капилляре возникает встречный по отношению к катафорезу поток буферного газа, уменьшающий скорость катафореза и расход рабочего вещества.

Энергетические характеристики и механизмы накачки КЛ.

He-Cd ионный КЛ. Наибольшая мощность зарегистрирована на трех переходах мультеплета 4d95s2 2D*5/2,3/2 - 4d105p 2Po3/2,1/2 Cd II ( линии с λ=441,6 нм, 325 нм и 353,6 нм Cd II), которые особенно привлекательны в приложениях. Мощность излучения на линии 441.6 нм превышает 200 мВт (170 мВт в моде ТЕМоо), ненасыщенный коэффициент усиления go достигает 10-3см-1, на линии 325.0 нм: 100 мВт (50 мВт - ТЕМоо) и 4*10-4 см-1, и на линии 353,6 нм - 25 мВт (5мВт - ТЕМоо). 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).

Лазерные переходы 4d95s2 2D*5/2,3/2 - 4d105p 2Po3/2,1/2 - "двухэлектронные", поэтому их вероятность (~106 с-1) на 2 порядка меньше скорости распада нижнего лазерного уровня при резонансном переходе 4d105p 2Po3/2,1/2 - 4d105s 2S1/2 в основное состояние иона Cdo+, чем создаются благоприятные условия для инверсии. Из нескольких энергетически возможных механизмов накачки уровней 4d95s2 2D*5/2,3/2 наибольший вклад вносит Пеннинг-процесс –процесс ионизации при столкновениях атомов кадмия с метастабильными (Hem) и возбужденными (He*) атомами гелия:

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

(механизм образования He* и Hem рассмотрен выше).

Полное эффективное сечение Пеннинг-процесса по различным данным - (6,5…10,6)*10-15см2, парциальные коэффициенты реакции для уровней 2D*5/2 и 2D*3/2 Cd II - 0,22 и 0,12, соответственно, а для основного состояния иона кадмия Cdo+ - 4d105s 2S1/2 Cd II - около 0,4. Величина скорости накачки Пеннинг-процесом уровня 4d95s2 2D*5/2 Cd II - около 1017 см-3с-1.

На порядок меньший вклад (около 1016 см-3с-1) вносит в накачку "прямое" и "двухступенчатое" возбуждение при столкновениях кадмия с электронами ПС:

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

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

( Отметим, что при замене гелия на другой буферный инертный газ, например, неон - электронное возбуждение начинает играть главную роль, однако при этом скорость накачки и ненасыщенный коэффициент усиления оказываются на порядок меньшими, чем в смеси с гелием.)

Соотношения подобия для оптимального режима генерации на линии 441.6 нм: I*d-1 = 0.4А*см-1, pHe*d = 1.0 Тор*см (рис.3,в), pCd*d =2*10-3 Тор*см, Ez*d=7В, go*d=3,8*10-4(для моноизотопа кадмия) (d - внутренний диаметр капилляра). К. п.д. излучателя для линии 441.6 нм: квантовый-0.14, газоразрядный – около 2.4*10-3; полный-около 3.5*10-4 и близок к значению для He-Ne лазера на линии 632,8 нм.

Полная ширина линии с λ=441,6 нм He-Cd КЛ в многомодовом режиме-1.1 ГГц (моноизотоп) и около 5 ГГц (кадмий естественного изотопного состава). При введении в резонатор 3-см эталона достигается одночастотный режим излучения с шириной линии около 56 МГц (столкновительное уширение 8.7 МГц*торр-1. Длина когерентности до 50см. Типичное значение шумов излучения - 1…5%.

В режиме синхронизации мод при модуляции с помощью АОМ на частоте 53 МГц в одиночном импульсе на линии 441.6 нм длительностью 150 ps мощность достигала 1.6 Вт. Длительность импульса на линии 325 нм - 400 ps. Из-за того, что радиационное время жизни иона кадмия в верхнем лазерном состоянии 4d95s2 2D* велико, ион в аксиальном и радиальном электрическом полях ПС испытывает ускорение и достигает дрейфовой скорости, даже превышающей его среднюю тепловую скорость, что приводит к искажению и смещению контуров линий.

Генерация наблюдается также на ИК переходе CdII 4d106p 2Po3/2 - 4d106s 2S1/2 (λ=806.7 нм), верхние уровни 4d106p2Po3/2 которого заселяются каскадными радиационными переходами с вышерасположенных уровней конфигураций 4d106f, 4d109s, 4d109p и 4d108d, заселяемых перезарядкой атомов кадмия на ионах гелия:

Cdo (4d105s2 1So) + Heo+(1s 2S1/2) ® Cd+*(4d106f,9s,9p,8d) + Heo(1s2 1So) + ΔE,

Cd+*(4d106f,9s,9p,8d) ® Cd+*(4d106p 2Po3/2) + hν,

а также на еще на двух переходах с λ=488,2 и 502,5 нм с малыми уровнями мощности генерации, механизм накачки которых не уточнялся, но энергетически где также возможна перезарядка.

Таким образом, He-Cd КЛ привлекателен как эффективный источник непрерывного излучения в фиолетовой и УФ частях спектра, где он имеет неоспоримые преимущества перед лазерами других типов, что определяет его многочисленные области применения.

He-Se ионный КЛ. Лазерные переходы происходят между квартетными 4P и 4D и дублетными термами 2D электронной конфигурации 4s24p25p SeII (верхние лазерные уровни), и термами 4P и 2P конфигураций 4s24p25s, 4s24p24d и 4s4p4 Se II(нижние уровни), наиболее интенсивными из которых являются шесть лазерных линий в зеленой части спектра с длинами волн:497.6, 499.3, 506.8,517.6, 522.7, 530.5 нм. Нижние уровни в свою очередь распадаются путем резонансных переходов в основное состояние иона селена Seo+ (конфигурация 4s24p3). Радиационные времена жизни верхних лазерных состояний порядка 10-7 с, нижних - (3…4)*10-8 с.

Энергия возбуждения большинства верхних лазерных уровней конфигурации 4s24p25p SeII с точностью до нескольких kTг (где k-постоянная Больцмана, Tг - газовая температура) совпадает с энергией иона гелия Heo+ в основном состоянии (1s 2S1/2), и поэтому эти уровни эффективно заселяются в плазме перезарядкой атомов селена в основном состоянии на ионах гелия :

Seo (4s24p4 1So) + Heo+(1s 2S1/2) ® Se+*(4s24p25p 4Po, 2,4Do,) + Heo(1s2 1So) + ΔE(-kTg),

Полное эффективное сечение перезарядки (~ 4,5*10-15см2) превышает газокинетическое, что вместе с высокой концентрацией ионов гелия в ПС при повышенной оптимальной плотности тока разряда, обеспечивает необходимую для создания инверсии накачку и генерацию. В результате, суммарная мощность излучения на 6-ти зеленых лазерных линиях SeII в He-Se КЛ (около 200 мВт) не уступает мощности излучения на фиолетовой линии с λ=441.6 нм иона кадмия в He-Cd ионном КЛ. В He-Se КЛ возбуждаются также несколько синих, красных и ИК линий, мощность которых на порядок меньше мощности зеленых.

Хотя селен испаряется в виде молекул с числом атомов в молекуле от 2-х до 8-ми, в ПС стационарного разряда диссоциацию их можно считать полной (чего не происходит, например, в ПС при импульсном разряде, где мощность генерации He-Se ионного лазера незначительна).

Соотношения подобия для оптимального режима генерации на зеленых линиях He-Se лазера: I*d-1 = 1.5А*см-1, pHe*d = 3.0 Тор*см (рис. 3,г) pSe*d =2*10-3 Тор*см, Ez*d=8.5В, go*d=3*10-4, температура испарителя у He-Se и He-Cd КЛ близки, однако плотность тока и вводимая мощность у He-Se КЛ примерно в 3 раза больше. Квантовый к. п.д. (~0.1) также в 1.4 раза меньше, и в результате полный к. п.д. оказывается меньшим примерно в 3.5 раза. Из-за малого времени жизни верхних лазерных уровней, возбужденный ион Se+* не успевает набрать высокую дрейфовую скорость и искажений контуров лазерных линий не происходит.

He-Se КЛ привлекателен как эффективный источник непрерывного излучения в зеленой части спектра, где он имеет определенные преимущества перед другими ионными лазерами, например от аргонового ионного лазера с милливаттным уровнем мощности его отличают более высокий к. п.д., простота конструкции и меньшая стоимость.. Стабилизацию по частоте четырех наиболее интенсивных линий генерации Se-He катафорезного ЛПМ можно осуществить, используя в качестве реперов линии поглощения молекулярного иода [8].

He-Zn ионный КЛ. Схема расположения ионных уровней цинка подобна схеме иона кадмия, что определяет как идентичные механизмы накачки рабочих переходов, наиболее интенсивные из которых 3d94s2 2D*5/2,3/2 - 3d104p 2Po3/2,1/2 c длинами волн 747.8 нм и 589.4 нм ZnII, так и близкие значения соотношений подобия. Однако мощность излучения на указанных переходах мультиплета Zn II оказывается меньшей, чем у аналогов в CdII с λ=441.6 нм и 325.0 нм, что связано в первую очередь с меньшими энергиями кванта и что снижает и полный к. п.д. Т. к. уровень 3d94s2 2D* Zn II расщеплен за счет изотопического эффекта, при использовании вместо цинка естественного изотопного состава - моноизотопа (чаще 64Zn), коэффициент усиления возрастает примерно в 2 раза (χZn≈ 0.486).

Еще два лазерных перехода иона цинка имеют меньшую мощность и заселяются: переход 3d104f 2Fo7/2 - 3d104d 2D5/2 с λ=492.4нм - перезарядкой непосредственно, а переход (3d105p 2Po3/2 - 3d105s 2S1/2 с λ=758.8 нм (аналог перехода с λ=806.7 нм в спектре CdII), перезарядкой на вышерасположенные уровни Zn II с последующими каскадными радиационными переходами вниз на уровень 5p 2Po3/2.

He-Hg ионный КЛ. 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 атомов ртути на ионах гелия:

Hgo(5d106s2 1So) + Heo+(1s 2S1/2) ® 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 )- 0.72 эВ и 4*10-16 см2, соответственно. Разрядная трубка типа показанной на рис.2,д, температура испарителя невысока (около 100oC).

Соотношения подобия для оптимального режима генерации на линии c λ=615.0 нм He-Hg лазера близки к соотношениям для He-Se КЛ с подобным механизмом накачки: I*d-1 = 1.4 А*см-1, pHe*d = 2.0 Тор*см, pHg*d =2*10-3 Тор*см, Ez*d=7.5В, go*d=1.4*10-4 (ртуть естественного изотопного состава). 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, и в этом случаеgo*D=4.6*10-4.

Другие КЛ с накачкой перезарядкой. Это КЛ, рабочим веществом которых являются пары иода, теллура в смеси с гелием в качестве буферного газа, и паров теллура, таллия в смеси с неоном, и которые по мощности лазерного излучения и по величине к. п.д. уступают рассмотренным выше He-Se и He-Hg ионным КЛ. .

В He-I2 КЛ источником паров иода служил как чистый иод (температура порядка комнатной), так и иодид кадмия (CdI2), температура испарения которого составляла около260оС, однако присутствие в этом случае в плазме паразитной примеси-паров кадмия снижало скорость накачки и мощность генерации на ионах иода.

Четырнадцать ионных лазерных переходов теллура работали только в смеси с гелием, и заселялись перезарядкой на ионах гелия с последующими каскадными радиационными переходами, а пятнадцать - в смеси только с неоном, заселяясь перезарядкой на ионах неона непосредственно. Пять переходов могли заселяться и в смеси с гелием (перезарядкой с каскадными переходами) и в смеси с неоном (перезарядкой непосредственно) и работали с любым из этих двух буферных газов.

КЛ с накачкой электронными столкновениями. Генерация на трех ионных переходах фосфора, четырех - мышьяка, двух сурьмы и одного - висмута некритична к роду буферного газа и происходит при малом давлении гелия, неона или их смеси (p*d = 0.5 Тор*см и менее) при высокой плотности разрядного тока (для фосфора и мышьяка I*d-1 = 2А*см-1, а для сурьмы и висмута I*d-1 = 4А*см-1 и выше). При подобных условиях разряда для снижения градиента давления буферного газа, вызванного электрофорезом (см.,), необходимо использовать катафорезную разрядную трубку с обводным каналом (байпасом), соединяющим анодную и катодную части трубки.

Многоцветные КЛ с комбинированной средой. Объединение паров нескольких веществ, возбуждение которых происходит в смеси с одним и тем же буферным газом и обладающих наилучшими генерационными характеристиками, позволило разработать ряд конструкций КЛ с излучением в различных заданных частях спектра. Заметим, что наиболее простым и очевидным решением здесь является продольное размещение нескольких идентичных секций с "общей" оптической осью, однако это не всегда приемлемо из-за увеличения габаритов излучателя, источника питания и др. Наибольшее заполнение видимого спектра обеспечивают пары селена, имеющие ионные лазерные линии в синей (λ=446.7 и 460.4 нм), зеленой (6 интенсивных линий с λ= 0.497…0.531мкм) и красной (λ=649.0 нм) областях, однако сбалансировать мощность синего, зеленого и красного излучения удалось лишь путем искусственного снижения на два порядка мощности в зеленой области до уровня синей и красной линий при использовании дисперсионного резонатора. С целью получения одновременной генерации на λ =632.8 нм NeI и λ =441.6нм CdII в КЛ с парами кадмия делались попытки в качестве буферного газа использовать смесь гелия и неона. При этом, поскольку введение неона в смесь He-пары кадмия, с одной стороны, снижает скорость возбуждения, а с другой-дополнительно разрушает He* и Hem, относительное содержание неона пришлось снизить, и оно на порядок отличалось от оптимального для He-Ne лазера, использовавшийся ток (I*D-1 = 0,2А*см-1) был также далек от оптимального ( в He-Ne лазере I*D-1 = 0.06А*см-1). В результате мощности на линиях были на порядок меньше, чем раздельном возбуждении сред. Подобная ситуация наблюдалась и при возбуждении в смеси с гелием и неоном паров цинка, а также паров селена.

Таким образом, комбинируемые рабочие вещества должны иметь максимально близкие оптимальные условия разряда, должны получать энергию накачки от разных "энергетических доноров" (например, от Hem и от He+) и не быть химически взаимодействующими.

Разрядная трубка, показанная на рис 1,е позволяет вводить в капилляр пары каждого вещества по отдельному разрядному каналу за счет катафореза из индивидуального испарителя. При этом плотность тока в канале должна обеспечить запирание данного канала от проникновения в него паров других веществ, а суммарный ток в капилляре должен быть оптимальным для генерации. Для химически взаимодействующих веществ возможно только поочередное введение в капилляр. При использовании в испарителях трубки наиболее эффективных веществ - Cd, Zn и Se при pHe*D = 2.0 Тор*см реализуются 4 режима: 1)-3)раздельная генерация на каждом веществе с 40% потерей мощности из-за неоптимального давления гелия для всех сред; 4)одновременная генерация на ионных переходах кадмия и цинка с λ = 441.6 нм CdII, 589.4нм и 747.8нм ZnII с регулируемым уровнем мощности от нуля до 25% от предельных для данной трубки значений в режиме раздельной генерации. Время переключения лазера с одного режима на другой определялось временем нагрева и охлаждения испарителей.

Разрядная трубка, показанная на рис 1,ж, может использоваться для химически невзаимодействующих веществ с существенно различающимися рабочими температурами. Здесь только первый, ближайший к аноду, испаритель оказывается "запертым" от проникновения в него другого вещества; для второго испарителя (третьего и т. д.) запирание не предусмотрено. При этом во избежание конденсации первого вещества во втором испарителе и для возможности раздельного ввода, разница в давлениях паров веществ при одинаковой температуре должна быть не менее двух порядков(см., выше), причем в первый от анода испаритель помещается более летучее вещество ( с меньшей рабочей температурой). При использовании в испарителях трубки наиболее эффективных веществ - Cd (в 1-м испарителе) и Zn (во-2-м) при оптимальном pHe (pHe*D = 1.0 Тор*см) реализуются 3 режима: 1) и 2)раздельная генерация на каждом веществе без потерь мощности; 3)одновременная генерация на ионных переходах кадмия и цинка с λ = 441.6 нм CdII, 589.4нм и 747.8нм ZnII с регулируемым уровнем мощности от нуля до 45% от предельных для данной трубки значений в режиме раздельной генерации.

Применения

По сравнению с ионными лазерами на инертных газах (Ar, Kr, Xe и др.) КЛ более компактны, проще в эксплуатации и значительно дешевле (в пересчете на единицу мощности). На сегодняшний день КЛ обеспечивают самое коротковолновое непрерывное лазерное излучение (325.0 нм Cd II в He-Cd КЛ на смеси паров кадмия с гелием). Наибольший спектр применений имеет He-Cd КЛ с длинами волн 441.6 нм и 325.0 нм: фотолитография, засветка фоторезиста в микроэлектронной технологии и при производстве CD, высокоскоростная печать, голография, спектроскопия, фотохимия, флуоресцентная диагностика и пр. Использование He-Cd КЛ, излучающего на синей линии (λ =441.6 нм Cd II), He-Se КЛ, излучающего на группе линий в зеленой области спектра и атомарного He-Ne лазера (красная линия с λ =632,8 нм) создает триаду лазеров для аддитивного синтезирования цветных изображений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sosnowski Т. P. // J. Appl. Phys. 1969. V.40. P.5138.

2. Goldsborough J. P. // Appl. Phys. Lett. 1969. V.15. P.159.

3. Fendley J. R., Jr, Gorog I., Hernqvist K. G. et al. // IEEE J. Quant. El. 1970. V.6. P.8.

4. , , // Электронная тех-ка. (Сер.1. Электроника СВЧ). 1971. №1. C.69.

5. , , Ионные лазеры на парах металлов.-М.: Энергоатомиздат. 1990. 256 с.

6. Ivanov I. G., Latush E. L., Sem M. F. Metal Vapour Ion Lasers: Kinetic Processes and Gas Discharges.- Chichester-New York-Brisbane-Toronto-Singapore: John Wiley & Sons. 1996. 285 p.

7. Little C. E. Metal Vapour Lasers: Physics, Engineering and Applications.- Chichester-New York-Weinheim-Singapore - Toronto: John Wiley & Sons. 1999. 619 p.

8. , Применение лазеров в приборах точной механики.-С-Пб.: Политехника. 1993. 216 с.

9. Hernqvist K. G., Pultorak D. C. // Rev. Sci. Instrum. 1970. V.41. P. 696.

10. Silfvast W. T., Szeto L. H. // Appl. Phys. Lett. 1971. V.19. V.445.

11. Johnston T. F., Kolb W. P. // IEEE J. Quant. El. 1976. V.12. P. 482.

12. Hernqvist К.G. // Laser Focus. 1973. V.9. P.39.

Рисунки к статье

Рис.1. КЛ на парах металла с разрядной трубкой простейшей конструкции. 1-анод, 2-катод, 3- капилляр, 4-"Брюстеровские" окна трубки, 5-испаритель, 6-конденсатор паров, 7-нагреватель испарителя, 8-зеркала оптического резонатора, 9-стабилизированный источник питания постоянного тока, 10-балластный резистор.

Рис.2. Типы разрядных трубок КЛ:

а) симметричная,

б) с сегментированным капилляром,

в) с сегментированным капилляром коаксиального типа,

г) с перфорированным капилляром и диффузионным возвратным каналом,

д) с капилляром переменного сечения,

е) для комбинированной активной среды с независимыми каналами для ввода паров,

ж) для комбинированной активной среды c химически-невзаимодействующими парами веществ.

1-анод, 2-катод, 3- капилляр, 4-"Брюстеровские" окна трубки, 5-испаритель, 6-конденсатор паров, 7-вспомогательный анод, 8-оболочка трубки, 9-шайбы из рабочего вещества (Cd), 10-диффузионный возвратный канал, 11-нагреватель испарителя.

Рис.3. Зависимости параметров разряда, плазмы и генерации КЛ от парциальных давлений смеси.

(а) и (б) - зависимости параметров разряда и плазмы He-Cd КЛ (Te, Ez, ne, NHe+ и интенсивности линий He I и линии 441,6 нмCd II) от концентрации паров кадмия

(в) и (г)-зависимости параметров плазмы (Nm, NHe+и Nмopt) и ненасыщенного коэффициента усиления g для He-Cd и He-Se КЛ от давления гелия.