10. Лазеры на галогенидах инертных газов

М. Рокни, Дж. X. Джакоб

10.1. Введение

Активное изучение лазеров на галогенидах инертных газов началось с обнаружения спектров испускания этих молекул Гоулдом и Трашем [40], а также Веласко и Сетсером [106]. Эти эксиплексы были первыми использованы с целью получения лазерной генерации при накачке электронным пучком. Сирлс и Харт [94] были в числе первых, кто создал такого типа лазеры, получив вынужденное излучение от . Вскоре после этого Эвинг и Брау [11, 31], а также и др. [1] наблюдали лазерную генерацию на возбужденных молекулах Наилучшие результаты при накачке электронным пучком получены в настоящее время в лазере и составляют при внутреннем кпд 9% [60]. Хорошие результаты дало также использование молекул Внутренний кпд более 5% получен для лазеров на с накачкой электронным пучком. Повышая температуру газовой смеси примерно до 500 К, удалось увеличить кпд -лазера. В случае XeCl более высокий кпд был достигнут при оптимизации состава газовой смеси.

Мангано и Джакоб [75] первыми разработали лазер на галогенидах инертных газов при накачке разрядом, управляемым электронным пучком. При такой накачке напряжение разряда прикладывается к газовой смеси, которая ионизуется электронным пучком. Этот метод является более эффективным по сравнению с накачкой только электронным пучком. Однако, чтобы реализовать его преимущества, необходимо преодолеть ряд технических трудностей, связанных с устойчивостью и увеличением мощности разряда. В настоящее время лучшие параметры, которые были получены при

таком методе накачки, имеет а именно плотность шергии и внутренний кпд 9,5%.

Другим методом накачки таких лазеров является использование разряда с предыонизацией УФ излучением [16, 110]. В этом методе происходит предыонизация среды с последующим возникновением чавинного разряда. Лавинный разряд позволяет работать в режиме с высокими частотами повторения импульсов и не требует сложной конструкции лазера. Однако в этом случае нельзя получить кпд более 1%. Такой лазер может найти применение для разделения изотопов и в других фотохимических процессах, для которых требуются импульсы низкой энергии с высокой частотой повторения. Накачка лавинным разрядом имеет тот недостаток, что в этом случае мы не можем управлять разрядом с помощью электронного пучка, и поэтому, как будет показано ниже, лазеры с такой накачкой имеют ограничения по мощности и длительности импульсов. В случае накачки управляемым разрядом можно путем увеличения масштабов получить более высокие энергии в (одиночном) импульсе и более высокую среднюю мощность, чем в разряде с УФ-предионизацией.

Рис. I Схематическое представление диаграммы потенциальных кривых галогенилов инертных гаюв

На рис. 1 приведена упрощенная схематическая диаграмма потенциальных кривых эксиплексов галогенидов инертных газов. Эти кривые имеют две замечательные особенности: 1) верхний уровень коррелирует с ионной парой где — ион инертного газа, ион галогена; 2) нижний уровень, как правило, является несвязанным. Исключение представляют молекулы XeF и в меньшей степени Лазерные переходы при этом характеризуются большими сечениями вынужденного излучения и короткими радиационными временами жизни (5 — 20 не). В табл. 1 представлены спектроскопические данные для основных переходов наиболее важных галогенидов инертных газов. Для этих переходов

верхний уровень исторически относят к В-состоянию, и он является почти вырожденным с соседствующим с ним состоянием, называемым С-состоянием. Для эксиплексов галогенидов инертных газов, на которых была получена лазерная генерация, существует совсем

Таблица 1. Спектроскопические характеристики лазерных переходов в эксиплексах галогенидов инертных газов

немного пересечений потенциальных кривых с возбужденными молекулярными уровнями. Поэтому вероятность перехода при пересечении мала и эффективность образования этих состояний оказывается высокой. Существует целый ряд моногалогенидов инертных газов, на которых нельзя получить лазерную генерацию и которые испытывают незначительную предиссоциацию, как это показано в табл. 2. Предиссоциация происходит при пересечении потенциальной кривой с отталкивательным молекулярным состоянием. Вероятность предиссоциации увеличивается, когда это пересечение происходит вблизи дна потенциальной ямы. Следовательно, для данного инертного газа вероятность предиссоциации больше в случае более тяжелых атомов галогена, которые имеют более низкие возбужденные состояния (табл. 2). Для данного же галогена вероятность предиссоциации больше в случае более легких инертных газов, которые образуют молекулы галогенидов с более высокими возбужденными состояниями. Четыре года спустя после открытия первых лазеров на галогенидах инертных газов были найдены еще два новых лазерных перехода. Это широкополосный переход С — А в XeF, на котором лазерная генерация была получена как с использованием фотодиссоциативной накачки [5], так и разряда с

-предыонизацией [33]. Имеется также первое сообщение о получении генерации на трехатомном переходе в Новым тойством этих лазеров является то, что они генерируют излучение и видимой области спектра и, как ожидается, могут быть перестраиваемыми.

Таблица 2. Лазерная генерация в сравнении с флуоресценцией галогенидов инертных газов

Для получения эффективной лазерной генерации необходимо выполнение следующих условий: 1) должен быть высокий кпд образования верхнего лазерного уровня; этот кпд определяется как произведение вероятности образования лазерного уровня на квантовый выход; 2) скорость опустошения верхнего лазерного уровня должна быть небольшой; 3) поглощение излучения активной средой должно быть невысоким, чтобы можно было обеспечить эффективный выход лазерного излучения, и 4) нижний лазерный уровень должен опустошаться с высокой скоростью. Ионный характер верхнего уровня эксиплексов галогенидов инертных газов обеспечивает их быстрое и эффективное образование как по ионному [76, 86, 87], так и по метастабильному каналам [56, 107, 108]. В большинстве случаев отталкивательный потенциал между атомами инертного газа и галогена, соответствующий основному состоянию, обеспечивает пренебрежимо малую населенность нижнего уровня, так что четвертое условие удовлетворяется автоматически.

В данной главе мы подробно обсудим физику лазеров на галогенидах инертных газов. Вначале дадим обзор кинетических аспектов образования верхнего лазерного уровня при накачке электронным пучком, а также при накачке разрядом. В частности, подробно рассмотрим процессы образования возбужденных молекул которые исследовались особенно интенсивно. Основные процессы тушения возбужденных молекул представлены в разд. 10.3, а в разд. 10.4 мы дадим детальный обзор физических и технических аспектов, связанных с накачкой этих лазеров электронным пучком или разрядом. В последнем разделе мы обсудим процесс вывода лазерной мощности, а также такие факторы, ограничивающие выходной кпд, как поглощение излучения возбужденными состояниями, конечное время колебательной релаксации и т.п.