10.2. Кинетика образования верхнего лазерного уровня

Заселение верхнего ионного состояния лазеров на галогенидах инертных газов происходит по двум главным каналам (см. рис. 1): по ионному и по метастабильному. Ионный канал обусловлен рекомбинацией положительных ионов инертного газа и отрицательных ионов X" галогена, т. е. процессом а метастабильный канал — взаимодействием возбужденных атомов инертного газа с донорными частицами галогенов а именно процессом

Процессы ионной рекомбинации подробно рассматриваются в гл. 5. При давлениях ниже 1 атм рекомбинация протекает с трехчастичной константой скорости около [34, 59], а выше 3 атм значение константы скорости начинает ограничиваться диффузией. При давлениях между 1 и 3 атм константа скорости является почти постоянной, причем значение эффективной двухчастичной константы скорости равно приблизительно

Процессы в метастабильном канале протекают также с высокой скоростью. Это обусловлено тем, что относящееся к этим процессам пересечение потенциальных кривых происходит при относительно больших межъядерных расстояниях (см. рис. 1). Константы скорости этих реакций (в некоторых случаях их относят к гарпунным) составляют [107, 108].

При накачке электронным пучком определяющим процессом образования возбужденных состояний является ионный канал. Метастабильный канал может играть главную роль, когда гибель вторичных электронов определяется скоростью электрон-ионной молекулярной рекомбинации. Метастабильный канал, как правило, представляет собой основной канал образования возбужденных когда накачка осуществляется разрядом, управляемым электронным пучком. В электроразрядных лазерах с УФ-предыонизацией образование возбужденных частиц определяется обоими каналами. В качестве примеров рассмотрим подробно кинетику образования возбужденных состояний молекул

10.2.1. Образование KrF при накачке электронным пучком

Типичные лазерные смеси состоят из не более при общем давлении газа атм. На рис. 2 схематически показана основная кинетика образования возбужденных молекул KrF. Поскольку смесь состоит главным образом из аргона, примерно половина мощности электронного пучка тратится на образование ионных пар, состоящих из ионов аргона и вторичных электронов. Около 10% мощности пучка идет на образование метастабильных состояний инертного газа. Основные потери вторичных электронов связаны с быстрым процессом диссоциативного прилипания к молекулам F2, в котором образуются ионы F [21, 22, 79]. При давлениях ниже 1 атм происходит рекомбинация и и образуется ArF. Излучение этой молекулы на длине волны 193 нм приводит к образованию атомов Аг и F в основном состоянии, причем расчетное радиационное время жизни равно приблизительно 4 не [26]. Однако в смесях, содержащих более 5% криптона, при общем давлении более 0,5 атм будет эффективно протекать обмен между с образованием При давлениях выше 1 атм преобладает реакция между с образованием протекающая с трехчастичной константой скорости Затем следует перезарядка между приводящая к образованию с константой скорости [6, 62]. В смесях, обедненных криптоном, ион будет рекомбинировать с что приведет к образованию KrF. Когда возрастает плотность атомов (т.е. обшее давление смеси), образуются молекулярные ионы криптона. Показано также, что рекомбинирует с и приводит к образованию в основном Возбужденное состояние KrF может спонтанно распасться с временем жизни 6,5 не [25, 26], или произойдет его столкновительное тушение. Процессы тушения возбужденных состояний мы рассмотрим ниже.

Прежде чем обсуждать образование следует сделать одно замечание, касающееся использования молекулы в качестве донора атома фтора в рабочих смесях -лазеров. Молекула как донор привлекает к себе внимание, поскольку в отличие от F2 она не поглощает излучение от

Рис. 2. Основная кинетика процесса образования KrF при накачке электронным пучком. Типичная газовая смесь. общее давление смеси 1—3 атм; эффективность образования KrF при достаточной плотности Кг составляет около 24%.

И все-таки более высокие эффективности флуоресценции и лазерной генерации достигаются с молекулой F2, а не с Это объясняется тем, что между молекулой и ионом может эффективно протекать процесс перезарядки, в результате чего образуется ион в то время как с участием F2 такой процесс потери ионов невозможен.

10.2.2. Образование XeF при накачке электронным пучком

Типичная лазерная смесь содержит не более остальное приходится на Аг или Ne. Более высокая концентрация Хе нежелательна вследствие двух обстоятельств, а именно: 1) атомы Хе быстро дезактивируют XeF и 2) молекулярные ионы являются сильными поглотителями излучения -лазера. Кинетика образования XeF в смесях, обогащенных аргоном, аналогична кинетике образования которую мы обсуждали выше.

Рис. 3. Сравнение спектров испускания газовых смесей накачиваемых электронным пучком, при полном давлении 3 атм и относительном содержании

В рабочих смесях XeF-лазера вместо F2 используются молекулы Главное преимущество здесь состоит в том, что молекула не поглощает излучение XeF-лазера [70].

Нам еще точно не известно, каким образом происходят процессы образования возбужденных состояний, когда в качестве разбавителя применяется Ne. Однако из экспериментов следует, что в смесях Ne - Хе - F вероятность образования XeF с точностью до

экспериментальной ошибки такая же, как и в смесях с Аг [88]. На рис. 3 представлены спектры флуоресценции для типичных смесей при общем давлении смеси 3 атм и содержании и 0,5% Хе. Как видно из рисунка, смеси с имеют следующие два различия: 1) излучение XeF на переходе D - X с длиной волны 260 нм присутствует лишь в возбужденной смеси и 2) полоса испускания на переходе в смеси, разбавленной Ne, шире, чем в смеси с . Эти различия наблюдались во всех спектрах при давлениях смеси в диапазоне атм [88]. Состояние коррелирует с состоянием в то время как состояние В коррелирует с Весьма невысокая интенсивность излучения на переходе в смесях, обогащенных неоном, указывает на то, что в этих смесях не образуется состояние даже несмотря на то, что имеет достаточную для перезарядки энергию, чтобы могли возникнуть ионы Отсюда следует, что на процесс образования XeF не влияет перезарядка между Этот вывод согласуется с результатами измерений Джонсона и др. [62], которые обнаружили, что константа скорости процесса перезарядки меньше чем Однако такой результат противоречит данным Коллинса и Ли [23], которые наблюдали большую трехчастичную скорость перезарядки между атомом Хе. Кроме того, как обнаружено, энергия NeF составляет

11,6 эВ [11, 26], что на 3 эВ больше энергии ионов на бесконечном удалении их друг от друга. Следовательно, не существует соответствующей точки пересечения потенциальных кривых, которая позволила бы заменить в NeF атом Ne на Хе, с тем чтобы мог образоваться XeF.

На рис. 4 представлена возможная цепочка реакций, согласующаяся с результатами экспериментальных наблюдений и приводящая к образованию возбужденных состояний XeF в смесях при накачке электронным пучком. Поскольку Ne является основным компонентом смеси, NeF будет образовываться при взаимодействии ионом [76, 85, 86]. Возбужденная молекула NeF может спонтанно излучить или предиссоциировать с образованием F и Ne. Ожидается, что предиссоциация эксимера NeF обусловлена [68] тем, что дно потенциальной ямы этой молекулы расположено на 1 эВ ниже обоих уровней атома фтора Кроме того, при столкновениях NeF может возбуждать атомы Хе, переводя их на высоколежащие уровни, что в конечном счете приводит к образованию XeF. Возбужденный атом F, появляющийся при предиссоциации может излучить энергию,

ионизовать атом Хе (ионизация Пеннинга) или вступить в реакцию с F2, образуя возбужденные состояния F. Энергия F достаточна для ионизации атома Хе с образованием лишь состояния Кроме того, фотоны, испускаемые атомом F, могут привести к фотоионизации Хе. Сечение этого процесса равно что в смеси, содержащей при общем давлении 1 атм соответствует длине фотопоглощения 1,5 мм.

Рис. 4. Возможные процессы образования XeF в случае накачки электронным пучком смеси

Эксимер XeF может образовываться в реакции замещения при взаимодействии F с Хе. Все рассмотренные выше кинетические процессы приводят к образованию состояний , а не Поэтому, как показано на рис. 3, в смесях, обогащенных Ne, не наблюдается излучение на переходе с длиной волны 260 нм.

Предполагают, что реакции в смесях протекают аналогичным образом. Интересно отметить, что в этих смесях по сравнению с похожими смесями излучение на переходе 260 нм является более интенсивным. Это обусловлено тем, что реакции с метастабильными состояниями неона (Ne имеют близкие по величине константы скорости [13]. Как упоминалось в разд. 10.1, большинство метастабилей образуются непосредственно под действием электронного пучка. Поскольку в смесях с концентрация Хе в 2—5 раз больше концентрации галогена, большая часть энергии Ne будет теряться при взаимодействии с атомами Хе. Энергия Ne достаточна для реализации

пеннинговской ионизации атомов Хе с образованием ионных состояний как так и . С другой стороны, константа скорости реакции между в 5 раз больше, чем между Следовательно, в смесях большинство возбужденных атомов Ne будет вступать в реакцию с F2, а не с Хе.

Поскольку по сравнению с аргоном использование в качестве буферного газа неона приводит к более широкой полосе испускания В - X молекулы это свидетельствует о том, что под действием неона релаксация совокупности колебательных уровней состояния протекает медленнее. Следует ожидать, что, поскольку неон легче аргона, в смесях, обогащенных Ne, V — Т-релаксация должна происходить с более высокой скоростью. Таким образом, V — Т-процесс, по-видимому, не является основным процессом, приводящим к релаксации совокупности колебательных уровней. Возможное объяснение состоит в том, что при релаксации колебательных уровней XeF образуются промежуточные трехатомные комплексы, которые впоследствии распадаются и приводят к образованию XeF на нижних колебательных состояниях. Из атомов может возникать молекулярный ион в то время как ион является более слабо связанным или вообще несвязанным [68]. Следовательно, может возникнуть промежуточный комплекс который может привести к более быстрой колебательной релаксации Образование таких комплексов объясняет также, почему тушит XeF с более высокой скоростью, чем Ne (см. разд. 10.2.3).