11.2.1. Лазеры на электронных переходах

В лазерах на электронных переходах разряды, управляемые электронным пучком, применяются в основном с той же целью, что и в СО2-лазерах, а именно для создания масштабируемых тлеющих разрядов высокого давления. Однако только в этом и состоит сходство этих двух случаев. Поскольку СО2-лазер работает на колебательных переходах с относительно низкими энергиями, оптимальная электронная температура в нем намного ниже той, которая требуется для работы в самостоятельном или регенеративном режимах. По этой же причине концентрация электронно-возбужденных частиц оказывается очень низкой и многоступенчатая ионизация является малосущественной. Таким образом, в СО2-лазере отсутствуют сколько-нибудь важные механизмы ионизации, отличные от тех, которые вызваны непосредственно (или косвенно) электронным пучком. В противоположность этому лазеры, излучающие в УФ или видимой области спектра, требуют эффективного возбуждения электронных уровней, расположенных очень близко к ионизационному пределу, т.е. для их эффективного возбуждения необходима высокая температура электронов. Кроме того, в активной среде неизменно присутствуют большие относительные

концентрации легко ионизуемых возбужденных частиц, вследствие чего значительным и зачастую доминирующим процессом в разряде оказывается многоступенчатая ионизация. Таким образом, в лазерах на электронных переходах разряды, управляемые электронным пучком, в лучшем случае малоустойчивы и применение этого метода в таких лазерах ограничивается относительно небольшим диапазоном значений параметров.

11.2.1.1. Образование и потери электронов

Для пространственно-однородной плазменной среды, в которой преобладают столкновительные процессы (что является типичным для разрядов, управляемых электронным пучком, применительно к лазерам на электронных переходах), можно написать следующее уравнение сохранения числа электронов:

В этом уравнении нашли отражение лишь процессы, которые обычно преобладают в лазерах на галогенидах инертных газов и галогенидах ртути. Здесь — плотности соответственно числа электронов, электронно-возбужденных частиц (например, метастабильных атомов) и нейтральных частиц; — константы скорости соответственно ионизации из основного состояния, ионизации из возбужденных состояний и прилипания, причем эти константы учитывают состав газовой смеси; — скорость образования электронов под действием электронного пучка. Ионизация Пеннинга, электрон-ионная рекомбинация и отлипание электрона от отрицательного иона, хотя нередко и являются важными процессами, для ясности были исключены из этого уравнения. Как мы покажем ниже, во многих случаях можно осуществить такие квазистационарные условий, что в левой части уравнения (1) производная по времени будет мала по сравнению с теми членами уравнения, которые описывают возникновение и исчезновение электронов. В этом случае поучительно построить зависимости от Е/N для скоростей различных процессов, вносящих вклад в образование (исчезновение) электронов. Рис. 2 иллюстрирует зависимость от Е/N членов, соответствующих образованию и

гибели электронов при квазистационарных условиях, типичных для разрядов, управляемых электронным пучком, в лазерах на галогенидах инертных газов и на галогенидах ртути. Из этого рисунка следует, что при небольших Е/N степень ионизации, обусловленная процессами в разряде, очень мала по сравнению со степенью ионизации под действием электронного пучка (область А). Иными

Рис. 2. Зависимость скорости образования и исчезновения электронов от Е/N при квазистационарных условиях, типичных для разрядов галогенидов инертных газов и гапогенида ртути словами, вследствие низкой электронной температуры ионизация частиц из основного состояния является несущественной, а скорость образования возбужденных состояний столь мала, что многоступенчатая ионизация становится незначительной. В этой области малых Е/N скорость образования электронов под действием электронного пучка равна скорости исчезновения электронов, причем последний процесс обычно обусловлен главным образом диссоциативным прилипанием электронов к галогену (см. гл. 2 настоящей книги). При этих условиях разряд действительно управляется электронным пучком и ведет себя во многом так же, как разряд в СО2-лазере при других соответствующих условиях. К сожалению, в этом режиме обычно невозможно достаточно эффективно и в нужном количестве получать электронно-возбужденные частицы. Эффективное образование возбужденных состояний требует увеличения

Е/N (или электронной температуры), чему будет соответствовать быстрое возрастание скоростей как прямой ионизации нейтральных частиц из их основных состояний, так и многоступенчатой ионизации, включая ионизацию электронно-возбужденных частиц, участвующих в образовании лазерных молекул. В этих условиях весьма существенной становится ионизация в разряде, сравнимая в действительности с ионизацией, обусловленной электронным пучком (область Б). В конце концов величина Е/N достигает значения, выше которого процесс ионизации становится неустойчивым (область В) (см. гл. 10 настоящей книги, а также работы [5, 25, 33,

45]). Таким образом, для разрядов в лазерах на электронных переходах с ионизацией электронным пучком существует сравнительно узкое «окно» значений Е/N, ограниченных снизу областью, которая соответствует недостаточно высокой интенсивности накачки, и сверху областью, соответствующей ионизационной неустойчивости разряда. Обычно считают, что оптимальным лазерным условиям соответствуют значения Е/N, расположенные в верхней части устойчивой области, для которой электронный пучок может быть самым сильным и единственным внешним источником ионизации, но для которой скорость ионизации благодаря суммарному эффекту разрядных ионизационных механизмов сравнима со скоростью образования электронов под действием одного лишь электронного пучка или даже превышает ее.

Рис. 3 Типичные временные зависимости напряжения (а) и тока (б) управляемого электронным пучком рафяда в HgBr-лазере

Несмотря на указанные выше ограничения, можно создать такие условия, при которых становится реальным получение однородного в пространстве и времени лазерного разряда. На рис. 3 приведены формы импульсов тока и напряжения, характерные для управляемого электронным пучком разряда в HgBr-лазере при давлении 2,0 атм. Из этого рисунка видно, что за начальным переходным участком, в течение которого возрастает приложенное

напряжение, следуют условия, соответствующие однородному горению разряда в течение почти 1 мкс, что подтверждается в основном постоянными значениями напряжения и тока. Поскольку для таких условий характерные времена столкновительных процессов обычно менее анализ показывает, что в течение импульса разряда кинетические процессы в плазменной среде являются по существуй квазистационарными, о чем свидетельствуют и приведенные на рисунке вольт-амперные характеристики. Анализ таких сред, как было установлено, не представляет ценности для идентификации механизмов, управляющих как разрядом, так и работой лазера [45, 53].