9. Эксимерные лазеры; спектроскопия и химия возбужденных состояний
Й. Теллингейсен
9.1. Введение
Последнее десятилетие внимание исследователей в значительной степени было сконцентрировано на эксимерных системах, которые можно было бы использовать для создания новых лазеров в видимой и УФ областях спектра. В широком смысле эксимер (аббревиатура англ. слов exited dimer — возбужденный димер) — это молекула, имеющая связанные электронно-возбужденные состояния, но несвязанное (или очень слабо связанное) основное состояние. Поэтому в таких молекулах радиационные переходы из верхних возбужденных состояний в основное состояние называют связанносвободными. Эти переходы приводят к распаду молекул, вследствие чего в таких системах инверсия населенностей может достигать 100%. Спектры связанно-свободных переходов имеют всегда диффузный характер, тем не менее они часто обнаруживают структуру, поддающуюся анализу.
В начале пытались создавать эксимерные лазеры на чистых инертных газах 
поскольку в такие системы при высоких давлениях можно эффективно вводить энергию, используя импульсные электронные пучки. К 1974 г. лазерная генерация была получена на «эксимерных» переходах молекул 
. Несмотря на то что такие молекулы дают высокий выход спонтанного излучения, кпд соответствующих лазеров оказался разочаровывающе низким вследствие протекания таких процессов, как фотоионизация эксимеров 
собственным лазерным излучением. Было доказано, что эти процессы, приводящие к исчезновению эксимерных частиц, являются основным
фактором, ограничивающим мощность (см. гл. 12 настоящей книги). В надежде, что запасенная энергия может быть излучена и на других молекулярных переходах, смещенных в длинноволновую область, экспериментаторы обратили свое внимание на смеси благородных газов с небольшими добавками галоген- и халькогенсодержащих молекул. Действительно, в 1977 г. генерация была получена на молекулах 
, а также на переходах в УФ и ВУФ областях спектра для семи молекул галогенидов инертных газов 
(эти данные мы привели приблизительно в хронологическом порядке; см. гл. 10, в которой описан дальнейший путь развития 
-лазеров; см. также обзор Брау [11]). В аналогичных экспериментах со смесями 
была получена лазерная генерация на переходах молекул галогенов и интер гало генов: 
Кроме систем на молекулах галогенов и молекулах типа 
и 
была также проведена большая работа с молекулами типа 
(где М — атом щелочного металла или атом ртути), однако генерация на этих молекулах так и не была получена. Хотя молекулы 
и 
более правильно следовало бы называть «эксиплексами», а не «эксимерами», все же последнее название получило широкое распространение для общего обозначения молекул в возбужденных состояниях. Разумеется, лазеры на молекулах галогенов не являются эксимерными, но их спектроскопические свойства и присущая им совокупность химических процессов весьма сходны с эксимерными лазерами на молекулах типа 
С самого начала работы с эксимерными системами выяснилось, что химические реакции, протекающие с участием возбужденных частиц, определяют длины волн и интенсивности спектров излучения. Например, в чистых инертных газах, возбуждаемых электронным пучком, при высоких давлениях (1 атм) большая часть энергии идет на ионизацию 
затем следуют ассоциация ионов 
электрон-ионная рекомбинация 
столкновительная релаксация 
и образование эксимеров 
[более подробно об этих процессах см. в работе [54], а также в гл. 3—7 настоящей книги]. В качестве второго примера рассмотрим галогениды инертных газов. Первоначальные исследования в этом случае проводились в проточных системах низкого давления, в которых молекулы галогенидов инертных газов образовывались в
реакциях 
При благоприятных условиях, т.е. когда отсутствуют процессы дезактивации возбужденных частиц 
протекающие без образования эксимеров, реакции этого типа могут приводить к образованию большого количества лазерных частиц.
Изучение химических свойств возбужденных нейтральных частиц в эксимерных лазерах тесно связано со спектроскопией этих частиц. В настоящей главе прежде всего дается обзор спектроскопических свойств эксимеров инертных газов, галогенидов инертных газов, галогенов и интергалогенов, а также галогенидов металлов подгруппы 116. Затем мы обсудим химические свойства возбужденных нейтральных частиц, присутствующих в этих системах. Ограниченный объем главы не позволяет обсудить свойства таких систем, как соединения халькогенов 
с инертными газами или металлов с инертными газами. Современное описание состояния дел по экспериментальному и теоретическому исследованию первой из упомянутых систем читатель найдет в обзоре Хэя и др. [42], который следует дополнить недавно опубликованным исследованием вращательной структуры спектра 
выполненным Симмонсом и др. [80]. Знакомство с литературой, посвященной соединениям инертных газов с щелочными металлами, можно начать со статей Галлагера [34], Сэйера и др. [74] и Теллингейсена и Экстона [94].
