§ 4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА

Исследования в области лазеров, работающих в ультрафиолетовом диапазоне, развиваются в настоящее время наиболее интенсивно. В гл. 9 мы уже обсуждали общие трудности в получении такой инверсии населенностей в системах атомов и ионов, которая обеспечивала бы генерацию в коротковолновой видимой или ультрафиолетовой области спектра. Именно поэтому возник интерес к молекулярным средам. Они должны обладать следующими свойствами:

Рис. 10.12. Энергетические уровни молекулы в зависимости от расстояния между ядрами азота. Стрелками указаны лазерные переходы в ультрафиолетовом диапазоне. Переходы типа сопровождаются инфракрасным излучением.

а) высокий квантовый выход флюоресценции,

б) незначительные потери на безызлучательные переходы,

в) быстрая релаксация конечного лазерного состояния,

г) возможно более длительное время жизни молекулы в верхнем энергетическом состоянии.

Благодаря развитию методов оптической накачки газовых лазеров и, в частности, использованию электронных пушек в настоящее время практически нетрудно достичь сильного возбуждения произвольной лазерной среды.

Интересно, что впервые лазерная генерация в ультрафиолетовом диапазоне была получена уже в Хердом [21] с помощью азотного лазера. Энергия молекулы зависит от расстояния между ядрами азота. Эта зависимость показана на рис. 10.12. Ультрафиолетовое излучение возникает в результате переходов

Нижний лазерный уровень ультрафиолетового диапазона подобно нижнему лазерному уровню инфракрасного диапазона переходы типа отличается значительно более длительным временем жизни, чем верхние уровни. Поэтому до сих пор не выяснено, достигается ли в такой системе инверсия населенностей [22]. Возбуждение энергетических уровней происходит в результате прямых соударений с электронами. Лазерная генерация возможна только в импульсном режиме.

Поскольку время жизни лазерного уровня составляет 40 не, а время жизни конечного состояния очень велико длительность импульса накачки должна быть порядка нескольких наносекунд, а плотность тока накачки — 104 А/см2. На практике чаще всего применяют системы с бегущей волной, предложенные, в частности, Шипменом [23].

Возбуждение активной смеси (азота и неона) происходит в канале разряда, который распространяется вдоль оси лазера со скоростью, определяемой скоростью вынужденного испускания в канале. Шипмен

Рис. 10.13. Схема лазера Шипмена с шестью коаксиальными линиями задержки, длина которых скачкообразно изменяется от линии к линии (а), и модель системы с одним искровым разрядником (б), разработанная в отделе квантовой электрони-ки Института физики Университета им. Адама Мицкевича. 1 — инициирующий коммутатор, 2 — коаксиальные линии задержки со ступенчато-изменяющейся длиной, 3 — диэлектрические коммутаторы, 4 — металлическая пластина, на которую подается высокое напряжение. 5 — активное вещество, 6 — слой диэлектрика, 7 — лазерное излучение, 8 — заземленная металлическая пластина, 9 — высоковольтный искровой разрядник, 10 — плексиглас, 11 — металлические пластины, 12 — катушка.

применил так называемый генератор Блюмлейна, дающий импульсы длительностью 4 не с максимальной мощностью 2,5 МВт.

При возбуждении азотного лазера необходимо максимально быстро передать активной среде энергию электрического поля, запасенную в конденсаторе. Для этой цели применяют электрические схемы без индуктивности и с малым сопротивлением. Наиболее эффективно поперечное возбуждение, схема которого показана на рис. 10.13 123]. Плоская линия передачи содержит 6 диэлектрических коммутаторов и столько же отрезков коаксиального кабеля соответствующей длины. При разряде формирующей линии возникает импульс с напряжением, в два раза превышающим питающее напряжение. Недостатком схемы Шипмена является использование нескольких диэлектрических коммутаторов. Этого можно избежать, если применить лишь один коммутатор, подключенный к углам пластин питающего конденсатора (рис. 10.13, б). Вначале конденсатор, состоящий из двух частей, заряжается до напряжения, при котором наступает пробой воздушного разрядника. В момент короткого замыкания на входе формирующей линии возникает электромагнитная волна, которая распространяется по левому отрезку линии со скоростью где — диэлектрическая проницаемость изолирующего материала. Эта волна отражается от конца линии и возвращается с обратным знаком, что приводит к удвоению напряжения. Правильный выбор расположения искрового разрядника обеспечивает распространение разряда в канале со скоростью, соответствующей скорости вынужденного испускания 124].

В настоящее время лазер на азоте при атмосферном давлении является одним из наиболее распространенных источников когерентного ультрафиолетового излучения.

В мощных ионных лазерах качество окон Брюстера из плавленого кварца постепенно ухудшается из-за образования -центров. Поэтому фирма «Когерент Радиэйшн» иногда использует окна из кристаллического кварца высокого качества. Согласно работе [25], максимальная мощность серийных непрерывных ионных лазеров может достигать что обеспечивается увеличением диаметра трубки. В экспериментальных лабораторных системах получают значительно более высокие мощности — до и даже

В 1970 г. Басов с сотрудниками [28] получили лазерную генерацию в жидком ксеноне при его бомбардировке пучком электронов с энергией Длина волны излучения лазера составляла 1760 А, а полуширина эмиссионной линии — 20 А. Уоллес и Дрейфус [29] показали, что в ксеноновом лазере высокого давления можно получить лазерную генерацию с непрерывной перестройкой в полосе 50 А (вблизи основной линии 1720 А). Этот лазер также возбуждался импульсным пучком электронов с энергией

Рис. 10.14. (см. скан) Энергетические уровни атома и молекулы ксенона (для молекулы показана зависимость от расстояния между ядрами) [30].

(импульс с энергией 10 Дж и длительностью 3 не!). На рис. 10.14 [30] показана часть структуры энергетических уровней атома и молекулы ксенона (для молекулы показана зависимость от расстояния между ядрами). Звездочками обозначены возбужденные состояния. Механизм возникновения молекул в сильном электрическом разряде пока не вполне ясен. На рис. 10.15 приведена схема ксенонового лазера.

Упомянутые выше и другие аналогичные работы открыли новый класс лазерных активных сред, называемых эксимерами. Для некоторых молекул характерна неустойчивость основных состояний (атомы в таких молекулах отталкиваются друг от друга или очень

Рис. 10.15. Упрощенная схема ксенонового лазера с возбуждением электронным потоком [30].

слабо связаны). Это открывает исключительные возможности для использования их в перестраиваемых лазерах, работающих в коротковолновой видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Благодаря нестабильности основных состояний, интенсивности насыщения обычно высоки, что позволяет получать от таких лазеров очень большие мощности. Поскольку у эксимерных лазеров конечное (лазерное) состояние обычно совпадает с основным состоянием, они обладают высоким квантовым выходом.

Басов с сотрудниками [28] обратили внимание на то, что благородные газы в сконденсированном виде могут служить очень хорошими активными средами для лазеров, работающих в области вакуумного ультрафиолета. Первое возбужденное электронное состояние этих атомов расположено на 10—25 эВ выше основного состояния. Благородные газы в виде жидкости, но вблизи фазового перехода жидкость — кристалл сохраняют ближний порядок, и их можно в первом приближении охарактеризовать с помощью представлений о зонной энергетической структуре. При возбуждении мощным электронным пучком (от электронной пушки) в такой структуре, как и в полупроводниках, возникают возбужденные экситонные состояния. Свободные экситоны в основном обеспечивают передачу энергии примесям, а локализованные экситоны — люминесценцию в области вакуумного ультрафиолета. Согласно Басову и др., люминесценция в сконденсированных благородных газах происходит по следующей схеме:

где А — атом в основном состоянии, — энергия возбуждения, — возбужденная двухатомная молекула (локализованный

экситон), энергия фотона, энергия фонона. Возбужденные экситоны переходят в основное локализованное состояние за время порядка , а распад локализованного экситона в процессе люминесценции происходит за время около .

Следует еще упомянуть интересный эксперимент Сведберга и др. [31], в котором была получена лазерная генерация в области вакуумного ультрафиолета в воздухе! На небольшую камеру, содержащую воздух при атмосферном давлении, подавали импульс напряжения (длительностью 3 не). Чрезвычайно мощный электрический разряд обеспечивал лазерную генерацию на переходе молекулярного азота (см. рис. 10.12). Были зарегистрированы эмис сионные линии 337,1 и 337,2 нм в условиях сверхизлучения. Длительность лазерной генерации составляла 0,6 не. Использование воздуха в качестве активной среды, несомненно, является одним из интереснейших достижений квантовой электроники.

В заключение кратко рассмотрим электронные пушки, которые все шире используются для возбуждения молекулярных лазеров. Основной частью электронной пушки является источник электронов. Электроны ускоряются в вакууме до энергий порядка сотен килоэлектронвольт или нескольких мегаэлектронвольт. Высокое ускоряющее напряжение чаще всего получают с помощью генератора Маркса. Импульс напряжения прямоугольной формы длительностью порядка нескольких микросекунд или даже наносекунд подается к электронной пушке через специальную формирующую линию. Источником электронов может служить горячий или холодный катод, а также полый катод. Электроны с катода ускоряются в электрическом поле высокой напряженности. Давление в камере электронной пушки не должно превышать мм рт. ст. Между камерой электронной пушки и находящейся под высоким давлением активной средой лазера устанавливают очень тонкую фольгу (например, титановую толщиной в несколько десятков микрон). Такая фольга не пропускает электроны с энергиями меньше Ясно, что тонкая фольга должна опираться на систему более мощных держателей, которые, к сожалению, поглощают значительную часть электронного потока. Схемы электронных пушек для питания лазеров приведены на рис. 10.16 [32]. Предположим, что поток электронов с энергией 1 МэВ бомбардирует ксенон под давлением 100 атм. Согласно [33] электроны распределяются следующим образом: 9% отражается, 50% поглощается в системе опор фольги, 6% — в самой фольге, 25% — в стенках лазерной камеры, и лишь 10% электронов эффективно используется для возбуждения молекул активной среды. Электроны, достигающие рабочего объема лазера, подвергаются сильному рассеянию. Это показано на рис. 10.17 для случаев очень узкого (а) и широкого (б) пучка электронов. Возникающее в активной среде электронное облако может при определенных условиях привести к пробою на

(кликните для просмотра скана)

Рис. 10.17. Распределение электронов в активной среде молекулярного лазера [33].

Поток электронов от пушки идет слева, активная среда располагается справа между фольгой и анодом.

анод; на рис. 10.17 это показано стрелками. Для получения возможно более однородного распределения электронов в рабочем объеме лазера в некоторых электронных пушках применяют профилированные катоды. В пушках высокого напряжения может возникнуть повреждение катода, связанное с появлением «игл» (whiskers), которые искажают распределение электрического поля вблизи нити и приводят к снижению эффективной эмиссии. Электронные пушки в настоящее время широко используются для возбуждения молекулярных лазеров.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)