10.5.2. Вывод мощности в XcF*-лазере

В табл. 7 приведены наилучшие из известных в литературе на настоящее время характеристики -лазера, накачиваемого электронным пучком. Эти характеристики получены для смеси, обогащенной Ne. С ростом температуры до 450 К кпд лазера увеличивается до 5,5% [50]. В табл. 8 представлены результаты, полученные при этой высокой температуре. Обсудим сначала характеристики,

которые имеет -лазер при комнатной температуре. Экспериментально полученный кпд составляет 2,6% что в три раза меньше, чем кпд -лазера. Это уменьшение кпд частично обусловлено более низким квантовым выходом в случае XeF. Как мы покажем в данном разделе, в смесях, обогащенных неоном, конечное время колебательной релаксации верхних лазерных уровней и связанного нижнего уровня приводит к уменьшению максимального значения кпд. В смесях же, обогащенных аргоном, кпд уменьшается еще и за счет поглощения излучения в активной среде.

Таблица 7. Характеристики -лазера, накачиваемого электронным пучком (газовая смесь: при общем давлении 4 атм) при температуре 300 К

Таблица 8. Характеристики -лазера, накачиваемого электронным пучком (газовая смесь — при общем давлении 3 амага) при температуре 450 К

Собственное поглощение активной среды XeF-лазера изучали авторы работ [18, 19, 89]. В табл. 9 представлены экспериментальные и теоретические сечения поглощения для частиц, которые в основном определяют поглощение в газовых смесях XeF-лазера, накачиваемого электронным пучком. На рис. 23 показаны для сравнения измеренные коэффициенты поглощения смесей, обогащенных при накачке электронным пучком. Из этого рисунка видно, что в смеси фотопоглощение намного меньше, чем в Имеются два главных обстоятельства, которые приводят к уменьшению фотопоглощения на длинах волн излучения XeF-лазера в смесях, обогащенных неоном: 1) фотопоглощение

Таблица 9. Сравнение экспериментальных и теорерических сечений поглощения молекулярных ионов инертного газа на длине волны 340 нм при температуре

ионами на этих длинах волн значительно меньше, чем фотопоглощение ионами и 2) в смесях с неоном ионы образуются намного медленнее в силу того, что промежуточный комплекс в противоположность является по-видимому, весьма слабо связанным или вообще несвязанным [68].

Рис. 23. Собственное поглощение активной среды в смесях XeF-лазера, накачиваемого электронным пучком, обогащенных или

На рис. 24 показаны потенциальные кривые для связанных верхнего и нижнего уровней XeF-лазера. При температуре 300 К основным лазерным переходом является . В этом случае кпд лазера будет зависеть от времени жизни нижнего уровня и скорости колебательной релаксации верхних уровней.

Согласно точному численному расчету, основанному на решении скоростных уравнений для верхнего и нижнего уровней, кпд вывода излучения можно записать в виде [90]

где — кпд вывода излучения, представленный на рис. 20. В выражении (24) второй множитель учитывает конечное время колебательной релаксации верхних лазерных уровней, где величина представляет собой относительную населенность состояния в предположении существования колебательного равновесия, — время жизни верхнего уровня, — время колебательной релаксации.

Рис. 24. Схематическая диаграмма потенциальных кривых для верхнего и нижнего уровней XeF.

В случае когда этот множитель по величине приближается к единице. Последний множитель в (24) учитывает уменьшение кпд за счет конечного времени жизни нижнего лазерного

уровня где величина есть плотность населенности нулевого колебательного уровня верхнего электронного состояния при наличии в резонаторе потока излучения то же, но в отсутствие потока Для отталкивательного нижнего состояния, как и в случае KrF, третий множитель в (24) равен единице [см. выражение (22)]. С физической точки зрения этот последний член необходимо вычислять в пределе иными словами, этот множитель, кроме того, учитывает уменьшение кпд, обусловленное столкновительным тушением возбужденных состояний и спонтанным излучением, — эффекты, уже учтенные величиной Рассматривая указанный предел, мы учитываем уменьшение кпд, обусловленное лишь эффектом узкого горла. Для удобства этот член записывается отдельно и дает возможность из экспериментальных данных оценить потери, обусловленные эффектом узкого горла. Он не зависит от потока и его можно выразить через радиационное время жизни, время столкновительного тушения и время жизни нижнего состояния.

На рис. 25 приведены спектры проинтегрированного по времени бокового излучения XeF-лазера в смесях в присутствии и в отсутствие лазерной генерации при комнатной температуре, а также при температуре 420 К. Из рисунка видно, что при комнатной температуре лазерная генерация подавляет населенность лишь состояния в то время как на более высокие колебательные уровни она не оказывает влияния. Поэтому в выражении (24) второй множитель равен примерно 0,6, т.е. 60% доступной для использования энергии может быть выведено в виде излучения. С ростом температуры газовой смеси усиливается колебательная релаксация В-состояния, что приводит к улучшению условий вывода мощности лазерного излучения. Кроме того, как мы покажем ниже, при более высоких температурах происходит генерация лазерного излучения на переходе с уровня что еще больше способствует увеличению кпд лазера.

В противоположность эксимеру KrF нижний уровень XeF является связанным с энергией около 0,15 эВ. В стационарных условиях при температуре окружающей среды молекула XeF в основном состоянии диссоциирует на Хе и F. Однако конечное время жизни нижнего уровня ограничивает кпд лазера благодаря третьему множителю выражения (24). Дази и Шуи [27] вычисляли константы скорости диссоциации различных колебательных уровней основного состояния XeF в смесях, обогащенных Ne, при и 450 К. Фулгам и др. [36, 37] провели серию экспериментов с целью измерения этих констант скорости в смесях, обогащенных Не.

(кликните для просмотра скана)

Уменьшение кпд за счет конечного времени жизни нижнего уровня можно понять из схематической диаграммы, приведенной на рис. 26. В случае отталкивательного нижнего уровня при боковое излучение будет ослабляться в И раз. При этом необходимо иметь конечное значение чтобы компенсировать потери резонатора. В случае отталкивательного нижнего уровня мы имеем следовательно, Для связанного нижнего уровня и стационарных условий лазерной генерации населенность основного состояния будет конечной и будет зависеть от времени жизни основного состояния. Чтобы поддерживалась лазерная генерация при одних и тех же потерях резонатора (при одном и том же величина должна увеличиться; При этом кпд лазера уменьшится на соответствующий множитель, определяемый выражением (24).

Экспериментально влияние нижнего связанного состояния на характеристики лазера можно исследовать, наблюдая боковую флуоресценцию в условиях лазерной генерации и без нее. С помощью скоростных уравнений для верхнего и нижнего уровней можно показать, что справедливо следующее равенство:

где — величины, определенные выше, а — функция, зависящая от времени жизни верхнего и нижнего уровней, времен колебательной релаксации верхних и нижних уровней и распределений населенности этих уровней.

На рис. 27 показано изменение отношения с ростом потока излучения в резонаторе для типичной газовой смеси XeF-лазера при комнатной температуре. В соответствующем эксперименте плотность тока электронного пучка была равна 41 А/см2 [92]. Мы

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

видим, что это отношение выходит на насыщение, подтверждая тем самым предположение о влиянии конечного времени жизни состояния XeF(A) на кпд лазера. Сплошная кривая на рисунке получена с помощью соотношения (25) и представляет собой наилучшую подгонку к экспериментальным данным. Из рис. 27 получаем С ростом температуры смеси можно было бы ожидать, что время жизни состояния XeF(A) будет уменьшаться. Это соответствовало бы увеличению значения Такой эффект, связанный с возрастанием температуры смеси до 500 К, иллюстрируется на рис. 28. Как видно из рисунка, при температуре 500 К величина существенно больше, чем при комнатной температуре, а это значит, что время жизни нижнего уровня уменьшается, что должно было бы соответствовать увеличению кпд лазера.

Возрастание температуры газовой смеси приводит также к изменению в спектре лазерного излучения [50]. При комнатной температуре лазер излучает главным образом в полосе с центром при 353 нм. Наблюдается также слабая лазерная генерация вблизи 351 нм. С ростом температуры интенсивность излучения при 351 нм увеличивается. Кроме того, интенсивность излучения в этой полосе имеет два максимума, разделенные расстоянием 0,1 нм, как показано на рис. 29. При более высокой температуре возникает сильное лазерное излучение на переходах Таким образом, вывод лазерного излучения осуществлялся как с уровня так и с уровня состояния XeF(B).

Литература

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)