12.4. Пример

Накачиваемый электронным пучком XeF-лазер может служить замечательной иллюстрацией того, какое влияние на работу лазера может оказывать нестационарное поглощение и каким образом изучение этого процесса поглощения помогает нам понять принцип действия XeF-лазера и найти способы, позволяющие улучшить его характеристики. На рис. 13 представлена зависимость кпд лазера от давления неона и аргона. Мы видим, что в случае, когда основным газом является аргон, лазер работает неудовлетворительно [13]. В свете последующей работы по изучению нестационарного поглощения (разд. 12.3) такой результат является вполне понятным. Широкополосное поглощение в аргоне при 3500 А гораздо больше, чем в неоне в той же области длин волн [11]. Характеристики лазера можно улучшить, используя внешний нагрев лазерной смеси. Первоначально это объяснялось двумя факторами, а именно увеличением скорости распада нижнего лазерного уровня [23] и увеличением скорости колебательной релаксации верхнего лазерного уровня [30]. Однако последующие эксперименты [8, 15] показали, что улучшение характеристик лазера при нагреве смеси связано с соответствующим изменением поглощения.

Для того чтобы понять, почему с ростом температуры смеси увеличивается кпд накачиваемого электронным пучком большой длительности XeF-лазера, в котором в качестве растворителя используется неон, нужно лишь понаблюдать, как при возрастании температуры изменяются оптические свойства лазера. При комнатной температуре генерация лазера происходит главным образом на полосе 353 нм [30]. Как только лазерная смесь нагревается до температуры сильно возрастает интенсивность излучения при

(кликните для просмотра скана)

нм, а интенсивность излучения при 353 нм несколько ослабевает. В любом случае, чтобы объяснить это явление, происходящее при нагревании лазерной смеси, нам нужно включить в рассмотрение такой эффект, который бы сильно влиял на переходы с нм и мало или совсем не влиял на переходы с нм. На рис. 14 показаны спектры флуоресценции, снятые при наблюдении в осевом направлении при двух различных значениях токов накачки и двух различных температурах смеси [15]. Для калибровки длин волн использовался спектр излучения неоновой пальчиковой лампы Наблюдение флуоресценции в направлении оптической оси позволяет измерить интенсивность излучения, когда вдоль оптической оси имеется поглощение. При наблюдении флуоресценции сбоку эффекты поглощения сводятся к минимуму.

При измерениях флуоресценции вдоль оптической оси были обнаружены два температурных эффекта. Прежде всего с ростом температуры уменьшается ширина полосы испускания (рис. 14). С ростом температуры для обоих значений токов накачки спонтанное излучение вдоль оптической оси уменьшается. Этот результат контрастирует с тем, что мы имели при измерениях флуоресценции в боковом направлении, в которых не было обнаружено изменений ни относительных интенсивностей двух полос испускания, ни интенсивности спонтанного излучения [30] Обнаружено также, что при комнатной температуре и при значениях токов накачки в интервале 2—7 А/см2 интенсивность спонтанного излучения при нм меньше, чем при нм. Однако при наблюдении вдоль оптической оси оказалось, что для данного интервала токов накачки и температуры 150°С относительные интенсивности этих двух полос спонтанного излучения почти одинаковы. Это указывает на то, что в лазерной смеси присутствует обнаруженное в плазме неона широкополосное поглощение и что, как и в плазме чистого неона, оно увеличивается с ростом температуры.

Мы напомним, что, согласно рассмотренным в разд. 12.2 данным, при комнатной температуре отсутствует какое-либо поглощение частицами Ne на длине волны 3532 А, однако имеется небольшое широкополосное поглощение, которое, по-видимому, существует во всем исследуемом спектральном интервале. При добавлении к неону 0,2% ксенона, что, как было обнаружено, является оптимальной концентрацией ксенона для XeF-лазера, поглощение частицами Ne при уменьшается, однако полностью не исчезает (см. рис. 11). При этих двух длинах волн все же существует различие в величине поглощения Иными словами, при А, как было обнаружено, имеются два сорта

поглощающих частиц, в то время как при найден только один поглотитель. В этом случае различие в интенсивностях излучения этих двух полос можно объяснить разными величинами нестационарного поглощения.

На рис. 15 представлены измеренные температурные зависимости коэффициента усиления в смеси и коэффициента поглощения как в чистом неоне, так и в смеси на длине волны 3511,1 А [8]. Концентрация составляла 0,06%, что типично для оптимальной работы лазера. Плотность активной среды при этом была равна 4 амага.

Рис. 15. Измеренные температурные зависимости усиления в лазерной смеси на длине волны 3511,13 А и поглощения в чистом неоне , а также в оптимальной смеси

Из рисунка видно, что в плазме чистого неона поглощение линейно уменьшается при возрастании температуры, причем при изменении температуры от 20 до 150°С оно уменьшается вдвое. Если в неон добавить в оптимальной для лазера концентрации, то оптическое поглощение становится равным при температуре 20°С и при

температуре В противоположность этому на длине волны 3532 А в смесях не было обнаружено какого-либо заметного поглощения ни при какой температуре. При комнатной температуре измеренный коэффициент усиления на длине волны 3511,1 А равен примерно 0,85% см в то время как при повышении температуры до 150° С коэффициент усиления увеличивается примерно до При комнатной температуре коэффициент усиления при оказался равным а при температуре 150 °С он равен Оптимальный состав лазерной смеси, соответствующий наилучшим характеристикам лазера, не зависит от температуры.

При комнатной температуре поглощение в неоне на длине волны 351 нм намного больше, чем на длине волны 353 нм. Добавление в неон ксенона или устраняет поглощение при нм, но не влияет на него при нм. То, что при нм усиление увеличивается с ростом температуры, указывает либо на увеличение реального усиления (усиление без фонового поглощения) или на уменьшение нестационарного поглощения, либо на то, что имеют место оба этих эффекта. Если бы с ростом температуры увеличивалось реальное усиление, то флуоресценция в боковом направлении увеличивалась бы при нм и не увеличивалась бы при 353 нм. Ясно, что с ростом окружающей температуры не происходит резкого увеличения эффективности флуоресценции при нм по сравнению с флуоресценцией при 353 нм [30]. На основе этих наблюдений мы можем заключить, что в случае неона, используемого в качестве растворителя, линия поглощения, которая совпадает с переходом при , подавляет излучение этой полосы. При нагреве лазерной смеси нестационарное поглощение, приписываемое возбужденному состоянию Ne, уменьшается, в то время как намного более слабое широкополосное поглощение увеличивается. Эти эксперименты демонстрируют также то, что рассматриваемые процессы поглощения зависят от времени.

В условиях накачки коротким импульсом XeF-лазер проявляет характерные особенности, что указывает на временные изменения, происходящие в поглощении. Независимо от схемы накачки и сорта газа, используемого в качестве растворителя, для импульсов накачки длительностью 100 не всегда наблюдаются две полосы испускания, сравнимые между собой по интенсивности. Излучение на двух этих полосах сравнимой интенсивности наблюдается также в случае накачки с длительностью импульса когда

растворителем является аргон. Только в неоне для импульсов накачки длительностью не подавляется излучение с длиной волны 351 нм. В экспериментах по регистрации излучения во времени Танг обнаружил [58], что в течение первых 100 не имеет место излучение обеих полос с примерно одинаковыми интенсивностями, а затем начинает преобладать излучение с длиной волны 353 нм. Это означает, что при токах накачки, соответствующих времени 100 не после начала импульса, начинают образовываться поглощающие частицы Ne. Для объяснения этих наблюдений, а также того факта, что характеристики XeF-лазера улучшаются при нагреве, вначале выдвигались и другие соображения, однако последующие эксперименты показали несостоятельность таких теорий.

Первоначально считали, что умеренный внешний нагрев должен увеличивать распад слабосвязанного нижнего лазерного уровня [23]. Фулгам и др. [24, 25], используя метод лазерной флуоресценции, наблюдали изменение во времени населенности нижнего лазерного уровня XeF и нашли, что уменьшение населенностей колебательных уровней происходит с одинаковой скоростью. И все же, как было обнаружено, интенсивность вынужденного излучения на переходе нм уменьшается. На основе этих экспериментов и данных, свидетельствующих об увеличении широкополосного поглощения на длине волны 353 нм с ростом температуры [8], можно заключить, что, хотя внешний нагрев действительно увеличивает скорость диссоциации основного состояния, этот эффект полностью компенсируется увеличением поглощения, поскольку усиление с нм и вынужденное излучение уменьшаются с ростом температуры.

Согласно второй гипотезе, с ростом температуры увеличивается скорость колебательной релаксации верхнего лазерного уровня. Однако наблюдаемая сбоку флуоресценция на длине волны 351 нм явно не увеличивается. Если бы умеренный нагрев приводил к увеличению скорости колебательной релаксации всей совокупности верхних лазерных уровней и это в свою очередь приводило бы к возрастанию усиления на длине волны 351 нм то должно возникнуть другое несоответствие. При этом нам пришлось бы объяснять, почему, в случае когда в качестве растворителя используется аргон, в отсутствие нагрева наблюдается излучение от двух полос с одинаковой интенсивностью. Мы должны были бы также объяснить, почему с ростом температуры в неоне уменьшается излучение на длине волны