6.3.3.4. Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры представляют собой интересный и важный класс молекулярных лазеров на переходах между различными электронными состояниями. Рассмотрим двухатомную

молекулу кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний которой приведены на рис. 6.25. Поскольку основное состояние соответствует взаимному отталкиванию атомов, в этом состоянии молекула не существует (т. е. в основном состоянии частицы существуют лишь в мономерной форме А). Однако, поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула может существовать в возбужденном состоянии (т. е. в возбужденном состоянии частицы существуют в димерной форме Такая молекула А называется эксимером (аббревиатура англ. слов - возбужденный димер). Предположим теперь, что в некотором объеме каким-либо образом создано большое число эксимеров. Тогда генерация может быть получена на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) состояниями (связанно-свободный переход). Соответствующий лазер называется эксимерным. Эти лазеры характеризуются двумя необычными, но важными свойствами благодаря тому, что основное состояние соответствует взаимному отталкиванию атомов. 1) Как только в результате генерации молекула перейдет в основное состояние, она немедленно диссоциирует. Это означает, что нижний лазерный уровень будет всегда пустым. 2) Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным Однако следует заметить, что в некоторых эксимерных лазерах кривая потенциальной энергии основного состояния не соответствует чистому взаимному отталкиванию, а обладает неглубоким минимумом. В этом случае переход происходит между верхним связанным состоянием и нижним (слабо) связанным состоянием (связанно-связанный переход). Однако, поскольку основное состояние является лишь слабосвязанным, молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предис-социация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

Рис. 6.25. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Рассмотрим теперь наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа (например, ) в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена что приводит к образованию эксимера галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров укажем , которые генерируют все в УФ-диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится ясным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые, как известно, легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер; в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда, Рассмотрим теперь подробнее -лазер, так как он представляет собой один из наиболее важных лазеров данной категории. На рис, 6.26 приведена диаграмма потенциальной энергии молекулы Верхний лазерный уровень является состоянием с переносом заряда и ионной связью, которое при отвечает состоянию положительного иона и состоянию 5 отрицательного иона Поэтому энергия при равна потенциалу ионизации атома криптона минус сродство атома фтора к электрону, При больших межъядерных расстояниях кривая энергии подчиняется закону Кулона. Таким образом, потенциал взаимодействия между двумя ионами простирается на гораздо большее расстояние чем в случае, когда преобладает ковалентное взаимодействие (ср., например, с рис, 6.24), Нижнее состояние имеет ковалентную связь и при отвечает состоянию атома криптона и состоянию атома фтора, Таким образом, в основном состоянии атомные состояния инертного газа и галогена меняются местами. В результате взаимодействия соответствующих орбиталей верхнее и нижнее состояния при малых межъядерных расстояниях расщепляются на состояния и Генерация происходит на переходе поскольку он имеет наибольшее сечение, Заметим, что при переходе излучающий электрон передается от иона иону

Обращаясь к механизмам возбуждения, заметим, что электрическое возбуждение приводит в основном к образованию возбужденных атомов и ионов Обе частицы сразу же приводят к образованию возбужденных молекул . В самом деле, возбужденный атом может реагировать с молекулой в соответствии со следующей реакцией:

Используя рассмотренную выше аналогию между возбужденными атомами инертного газа и атомами щелочных металлов, можно сразу же предположить, что скорость реакции (6.12) будет сравнима со скоростью реакции между (атом щелочного металла, соответствующий и молекулой

Рис. 6.26. Кривые потенциальной энергии, отражающие молекулярную структуру

Ион напротив, реагирует с ионами которые образуются в реакции присоединения электрона с диссоциацией:

Заметим, что для одновременного выполнения законов сохранения энергии и импульса рекомбинация двух ионов должна протекать посредством трехчастичного столкновения:

где М — атом буферного газа (в данном случае это, как правило, гелий). Из-за большого расстояния взаимодействия двух ионов данная реакция также идет с очень большой скоростью, если давление буферного газа достаточно велико (газовая смесь обычно состоит из при давлении около 120 мбар, при давлении 6 мбар и Не при давлении 2400 мбар).

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом в соответствии с общей схемой, представленной на рис. 6,21.

Рис. 6.27, Энергия в импульсе, излучаемая ТЕА-лазером с УФ-предыонизацией электрического разряда. В каждом из указанных лазеров использовалась та же лазерная трубка, что и на рис. 6.21, но заполненная соответствующим газом.

Предыонизация обычно достигается, как и на рис. 6,21, излучающими в УФ-диапазоне искровыми разрядами. Поскольку глубина проникновения УФ-излучения в газовую смесь ограничена, для больших установок (поперечные размеры разряда больше 2—3 см) иногда применяют предыонизацию рентгеновским излучением. Для лабораторных устройств и самых крупных установок иногда используют также накачку внешним электронным пучком, Во всех случаях усиление оказывается очень большим, так что в лазерном резонаторе обычно на одном из концов в качестве зеркала устанавливают непросветленный эталон, а на другом конце используют зеркало со 100 %-ным отражателем (например, заднее зеркало на рис. 6.21), Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длительность импульса накачки 10—20 не). В случае, представленном на рис, 6.21, это достигается, как и в азотном лазере, тем, что уменьшают по возможности индуктивность контура и используют

безындукционные конденсаторы, присоединенные к разрядным электродам короткими проводниками. В действительности один и тот же лазер типа изображенного на рис. 6,21 можно использовать как TEA -лазер, азотный лазер или эксимерный лазер просто заменой газовой смеси, На рис. 6.27 показаны полученные таким способом выходные энергии одиночного импульса для различных лазеров. Имеются эксимерные лазеры с частотой повторения примерно до 500 Гц и средней выходной мощностью вплоть до 100 Вт, В настоящее время создаются также более крупные установки со средней мощностью более 1 кВт, Благодаря большому квантовому выходу (см. рис, 6,26) и высокой эффективности процессов накачки КПД этих лазеров обычно довольно высок (2-4 %).

Эксимерные лазеры используются для очень точного травления различных материалов в приложениях, связанных с электронными печатными схемами, а также для выжигания тканей в биологии и медицине (например, радиальная кератомия радужной оболочки глаза). Эксимерные лазеры также широко используются в научных исследованиях и, по-видимому, найдут многочисленные применения там, где требуется источник мощного УФ-излучения с высоким КПД (например, в фотохимии).