14.2.2.3. Кинетика трехступенчатой ионизации

Модельные расчеты [28] показывают, что в разрядах лазеров на парах металлов и некоторых эксимерных лазеров на галогенидах металлов существенным может быть процесс трехступенчатой ионизации. Этот процесс хорошо описывается простой кинетической моделью, приведенной на рис. 2, в. Можно показать (см. приложение 2 к настоящей главе), что для этой модели ионизации выполняется следующее равенство:

Если преобладают процессы столкновения с электронами, то из этого равенства следует и разряд устойчив [(см. соотношение (3)]. Если же преобладает тушение тяжелыми частицами, что соответствует условию, к которому следует стремиться для повышения эффективности работы лаэера, то суммарная скорость ионизации начинает сильно зависеть от плотности электронов и мы имеем

Если при этих условиях преобладают потери электронов за счет диссоциативного прилипания, то разряд неустойчив [см. условие (3)], когда

Если же основным процессом гибели электронов является диссоциативная рекомбинация, то разряд неустойчив, когда

В обоих случаях разряд неустойчив в отсутствие ионизации электронным пучком. Тем не менее в обоих этих случаях разряд можно стабилизировать, используя ионизацию электронным пучком. Величину скорости ионизации электронами пучка, необходимую для обеспечения устойчивости разряда, можно получить, обратив знак неравенства в выражениях (22), (23) и в более общем случае в (3). Вообще говоря, если диссоциативное прилипание главным образом определяет гибель электронов, то в соответствии с моделью кинетики трехступенчатой ионизации (рис. 2, в) разряд неустойчив при

выполнении условия

Если же гибель электронов в основном определяется диссоциативной рекомбинацией, то разряд неустойчив при выполнении условия

Эти условия эквивалентны условиям, полученным Сриваставой и др. [28], поскольку где — параметр, определенный в работе [28]. Сривастава и др. [28] использовали неравенство (24) для исследования устойчивости разряда эксимерных HgCl-лазеров. Подставляя выражение (20) в (4), можно вычислить начальную скорость роста флуктуаций малой амплитуды. Вообще говоря, если имеет место трехступенчатая кинетика ионизации, то из выражения (20) следует, что Когда мы имеем условия, соответствующие примерно оптимальной работе лазера, существенным становится тушение электронно-возбужденных состояний тяжелыми частицами и разряд, очевидно, будет менее устойчивым.

Приведенное здесь простое модельное рассмотрение показывает, что столкновительные процессы, влияющие на образование и гибель электронов в разрядах эксимерных лазеров, определяют устойчивость таких разрядов. Неустойчивость разряда возникает, вообще говоря, если с ростом плотности электронов процесс многоступенчатой ионизации приводит к тому, что константа суммарной скорости ионизации увеличивается быстрее, чем коэффициент потерь электронов а (т. е. ). В общем случае, когда в разряде имеет место процесс многоступенчатой ионизации, выполняется неравенство где — число возбужденных состояний, участвующих в процессе ионизации. Величина достигает наибольшего значения, когда тушение электронно-возбужденных состояний определяется главным образом тяжелыми частицами, а не электронным ударом. К сожалению, это условие, приводящее к дестабилизации разряда, соответствует условию эффективной работы эксимерного лазера. Проблема устойчивости разрядов эксимерных лазеров становится еще более сложной, когда основным процессом гибели электронов оказывается образование отрицательных ионов за счет диссоциативного прилипания, поскольку в этом случае а не зависит от

плотности электронов . К счастью, разряды в эксимерных лазерах можно стабилизировать, если осуществлять ионизацию электронным пучком. Однако при этом оказывается трудно реализовать преимущества, присущие накачке разрядом, вследствие того что на практике до сих пор не были получены болышие коэффициенты усиления мощности разряда [29]. Возможно, что метод электронного пучка в сочетании с новыми смесями и/или соответствующим образом подобранными зависимостями поля разряде от времени поможет преодолеть существующие в настоящий момент ограничения и одновременно достичь высоких значений коэффициента усиления мощности разряда и эффективности лазера [5, 6]