1.3.2. Создание возбужденных состояний

В общей формулировке задачу заселения верхнего лазерного уровня в газовом лазере можно рассматривать как задачу о селективной передаче энергии. Задача состоит в том, чтобы энергию первичного источника низкого качества (обычно это химический или электрический источник) быстро и селективно направить и сконцентрировать с целью получения узкой функции распределения возбужденных атомных или молекулярных состояний. Обозначим кпд этого процесса через

Для понимания и описания принципа работы лазера большую помощь может оказать понятие «квант первичного возбуждения», которое есть не что иное, как возбужденное состояние атома или молекулы (или это атомный или молекулярный ион, который может привести к образованию возбужденного состояния). Очевидно, что число фотонов, испущенных на данном переходе, не может быть больше, чем число образованных возбужденных состояний. Таким образом, если мы можем установить, какие исходные кинетические процессы приводят к образованию верхнего лазерного уровня, и определить затраты энергии для его получения, то можно найти и верхний предел лазера.

Существует несколько процессов, приводящих к образованию возбужденных состояний, которые можно подразделить на шесть общих классов:

1) электронный удар:

2) фотовозбуждение или фотодиссоциация:

3) химические реакции:

4) возбуждение с перезарядкой:

5) электрон-ионная диссоциативная рекомбинация:

6) ион-ионная ассоциативная рекомбинация:

Реакции каждого из этих классов использовались при создании и развитии нескольких типов газовых лазеров.

Возбуждение атомов и молекул электронным ударом изучалось в течение многих лет. В большом числе случаев нам известны сечения возбуждения отдельных колебательно-вращательных состояний как функции энергии электронов. Таким образом, во многих случаях можно вычислить скорости образования различных возбужденных состояний в предположении, что нам известно распределение возбуждающих электронов по энергиям. Наиболее распространенной средой, для которой возникают эти вопросы, является электрический разряд (см. гл. 8, 11, 13 и 14 настоящей книги).

В разряде электроны рождаются в процессе ионизации электронным ударом:

Первичные электроны могут быть созданы за счет фотоионизации при облучении ультрафиолетом. Энергетическое распределение электронов определяется балансом между возрастанием их энергии при ускорении во внешнем электрическом поле, потерей энергии при столкновениях электронов с атомами и перераспределением энергии в электрон-электронных столкновениях. Сечения основных процессов столкновения электронов с атомами и молекулами лучше всего найти из измерений в независимых экспериментах по рассеянию или вычислить с использованием ab initio теоретических методов. В некоторых случаях эффективные сечения можно получить методом итераций из экспериментов по электрическому разряду, в которых используются распределения электронов по энергиям, вычисленные по предварительно заданным сечениям. В случае накачки разрядом мы имеем то же определение кванта возбуждения (одно возбужденное состояние или его предшественник), но теперь затраты энергии на его образование зависят от многих столкновительных процессов, протекающих с участием электронов, и расчет этих затрат оказывается не таким прямым.

В случае оптической накачки рассмотрение является особенно простым, поскольку исходный фотон соответствует одному акту возбуждения, т.е. представляет собой квант первичного возбуждения. В случае химической накачки рассмотрение оказывается несколько более сложным в силу того, что при этом может быть

испущен целый ряд лазерных фотонов различных длин волн, по мере того как молекула каскадно переходит с высоких колебательных уровней, образовавшихся в первичной химической реакции, на нижние уровни.

В ранних работах по газовым лазерам, возбуждаемым электрическим разрядом, считали, что большую роль в образовании возбужденных состояний играют атомные и молекулярные ионы. Основной перелом наступил в начале 1970-х гг. благодаря появлению недорогих лабораторных источников электронных пучков (созданных для других применений) с энергиями электронов в интервале МэВ, с длительностями импульсов в интервале 2 нс — 5 мкс, с плотностями токов между и с энергиями импульсов 10—10 000 Дж. Эти мощные источники возбуждения были вскоре применены для создания лазеров, чему способствовали предшествовавшие многолетние исследования по торможению заряженных частиц высоких энергий в газах высокой плотности, а также обширные лабораторные исследования столкновительных процессов, в том числе с участием вторичных ионов, электронов и возбужденных состояний.

Рис. 6. Схема энергетических уровней эксимерных молекул инертных газов.

Ниже мы рассмотрим, как осуществляются вклад энергии и эффективные способы, приводящие к образованию возбужденных состояний (рис. 6), — вопросы, которые подробно изучали Лорентц и Олсон [75]. Первым процессом является ионизация (мы рассмотрим случай произвольного инертного газа

Горячие вторичные электроны «охлаждаются» в последовательных актах ионизации и возбуждения атомов:

Это охлаждение происходит до тех пор, пока энергия электронов не станет меньше наименьшего порога возбуждения. При отсутствии газовых добавок последовательные упругие столкновения приводят к быстрому охлаждению электронов (в процессах передачи импульса) до нескольких десятых электронвольта, когда дальнейшее охлаждение начинает определяться рамзауэровским минимумом в сечении рассеяния электронов на атомах инертного газа.

При высоких давлениях ионы инертных газов подвергаются быстрому процессу трехчастичной ассоциации:

(см. гл. 3 настоящей книги). За ней следует электрон-ионная диссоциативная рекомбинация (см. гл. 6):

которая приводит главным образом к заселению второй группы возбужденных состояний: Эти состояния релаксируют на уровни в реакциях

При отсутствии газовых добавок, с которыми могут реагировать возбужденные атомы инертных газов, эти -уровни образуют эксимерные молекулы инертных газов:

которые могут затем флуоресцировать в области вакуумного ультрафиолета:

Как будет показано ниже, ионы и возбужденные состояния атомов инертных газов с точки зрения кинетики являются важными первичными частицами для целого ряда газовых лазеров.

Радиологи характеризуют процесс торможения заряженных частиц при помощи так называемого -фактора, который измерен для многих газов. По определению, — это величина энергии (в электронвольтах), которая тратится на образование каждой

электрон-ионной пары, создаваемой первичными и вторичными электронами. Величина не зависит от давления газа и начальной энергии первичных электронов (при энергиях более Например, в аргоне мы имеем эВ. Это значит, что один первичный электрон с энергией в аргоне произведет в конечном счете 11 450 электронов и ионов.

Петерсон и Аллен [76] использовали известные или оцененные значения сечений ионизации и возбуждения при электронном ударе для расчета функций распределения по энергиям возбужденных состояний, ионов и вторичных электронов а аргоне. Эти результаты показывают, что на каждую пару должно также создаваться около 0,29 возбужденных состояний Аг. Таким образом, если каждый из ионов аргона приводит к образованию возбужденного атома аргона (или других возбужденных состояний в присутствии газовых добавок), то мы можем определить затраты энергии и кпд процесса образования первичных возбужденных состояний в окружающем инертном газе, накачиваемом электронным пучком.

Затраты энергии на образование кванта первичного возбуждения в газовых лазерах на инертных газах, возбуждаемых электронным пучком, можно записать в виде

где — затраты энергии на образование одной ионной пары, — число ионных пар, создаваемых первичным электроном (IV — энергия первичных электронов), и — число возбужденных состояний, создаваемых горячими вторичными электронами. Согласно предварительному анализу [75—82], мы имеем следующие затраты энергии на один квант возбуждения при вкладе энергии от электронного пучка в чистых инертных газах: Не (31 эВ), Ne (27 эВ), Аг (20 эВ), Кг (18 эВ) и Хе (15 эВ). В газовых смесях необходимо также учесть ионизацию и возбуждение газовых добавок горячими вторичными электронами.

Эти значения были подтверждены многочисленными экспериментальными работами [83—87] по изучению эффективности флуоресценции инертных газов, возбуждаемых электронным пучком. Для каждого из тяжелых инертных газов обнаружена эффективность эксимерной флуоресценции, близкая к 50%, при следующих длинах волн: 126 нм (10 эВ), 146 нм (8,5 эВ) и 172 нм (7,2 эВ). Такая высокая эффективность флуоресценции объясняется тем, что в отсутствие газовых добавок возбужденные состояния

любого иона или атома инертного газа селективно превращаются в эксимерную молекулу. Для целей последующего нашего рассмотрения энергию первичного возбуждения в инертных газах мы будем считать равной энергии, которая может быть испущена в виде эксимерного излучения. Это означает, что в данном случае эффективность вклада энергии принимается равной

Выше неоднократно высказывались соображения, что соответствующий выбор добавок для газовых смесей, содержащих буферный инертный газ при высоком давлении, возбуждаемый электронным пучком, может привести к созданию широкого класса газовых лазеров. Добавление молекул, содержащих атомы галогенов, вызывает дополнительные изменения в механизмах, приводящих к образованию возбужденных состояний. Возможно, наиболее важное изменение связано с тем, что галогенсодержащие молекулы захватывают электроны в процессе диссоциативного прилипания:

Обзор такого рода процессов представил Чантри (см. гл. 2 настоящей книги). Эта потеря электронов эффективно конкурирует с электрон-ионной диссоциативной рекомбинацией [реакция (19)]. Фланнери (см. гл. 5 настоящей книги) подробно рассмотрел ион-ионную ассоциативную рекомбинацию

Эта реакция имеет большую скорость и является весьма важным источником возбужденных состояний в лазерной среде галогенидов инертных газов. Интересно отметить, что, хотя и известно о большой скорости реакции (27), не существует каких-либо прямых экспериментальных данных относительно вероятности образования возбужденных состояний в ходе этой реакции. Будем полагать ее равной 100%, что с необходимостью следует из высокого значения выхода флуоресценции молекул наблюдаемого экспериментально.