1.2.5. Эксимерные лазеры

В последние годы поиск эффективных высокоэнергетических лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов был связан в основном с так называемыми эксимерными молекулами. Термин эксимер является сокращением выражения exited dimer (возбужден-димер) и означает молекулу, образованную при связывании одного возбужденного атома (или молекулы) с атомом (или молекулой) в основном состоянии. Первоначально использование этого термина было ограничено такими объектами, как связанный комплекс идентичных атомов (например, ), в котором взаимодействие между, атомами в основном состоянии было чисто отталкивательным. Со, временем эксимерными лазерами стали называть представителей наиболее удачного класса новых газовых лазеров, а именно лазеры на галогенидах инертных газов, в которых нижний лазерный уровень может быть связанным или отталкивательным, как показано на рис. 4.

Для хорошо известной эксимерной лазерной системы на молекуле KrF, генерирующей на длине волны 248 нм, достигнут кпд Эту систему можно выполнить в большем масштабе и получить высокую выходную энергию. Другие лазерные системы, построенные на , имеют несколько меньший кпд, но приводят к генерации при больших длинах волн. Ни один из этих лазеров не был известен до 1975 г. В действительности и сами молекулы галогенидов благородных газов не были известны до 1974 г. (хотя спектры испускания наблюдались ранее [63], но были неправильно идентифицированы). Как показали Рокни и Джакоб (см. гл. 10 настоящей книги), теперь принцип действия этих лазеров понят достаточно хорошо и ведется работа по конструированию и созданию больших лазерных систем.

С понятием эксимера связан ряд важных спектроскопических выводов, относящихся к характеристикам работы лазеров. Во-первых, предположение о несвязанном лазерном уровне означает, что процесс лазерной генерации не будет ограничен эффектом «узкого горла» (т.е. процессом накопления частиц на нижнем лазерном уровне), поскольку нижний лазерный уровень будет диссоциировать

за время, равное периоду одного колебания. Во-вторых, отсутствие связанных колебательных уровней в нижнем состоянии будет приводить к образованию бесструктурного непрерывного спектра излучения. Это в свою очередь означает, что профиль коэффициента усиления должен быть относительно широким и бесструктурным и что соответствующий лазер должен быть непрерывно перестраиваемым в значительном спектральном диапазоне. И наконец, поскольку лазерные уровни относятся в большинстве случаев к самым нижним возбужденным электронным состояниям, это обеспечивает их относительно высокую устойчивость к процессу тушения.

Кроме перечисленных благоприятных спектроскопических свойств эксимерных молекул имеется еще значительная селективность реакций, в процессе которых создаются указанные возбужденные состояния. Было идентифицировано четыре различных механизма возбуждения, которые почти в 100% случаев приводят к возбужденным продуктам:

а) реакции ассоциации:

б) гарпунные реакции:

в) ион-ионная рекомбинация:

г) фотодиссоциация:

Хоутерманс [64] первый указал на то, что свободно-связанные переходы в таких молекулах, как потенциально могут быть использованы для лазеров. Басов [65] предположил, что в конденсированной фазе инертных газов на аналогичных переходах можно получить лазерную генерацию. Он и его сотрудники впоследствии получили вынужденное излучение в жидком ксеноне [66]. Революция в исследовании эксимерных лазеров началась после того, как в 1974 г. Сетсер и сотр. [67—69], а также Гоулд и Траш [70] независимо открыли молекулы галогенидов инертных газов. В последующие три года спектроскопически были обнаружены все из теоретически предсказанных молекул галогенидов инертных газов [71], а также была получена лазерная генерация на большинстве из них (см., например, работу [72]). Хорошие характеристики лазеров на галогенидах инертных газов привлекли внимание большого числа исследователей. В настоящее время самый высокий кпд, а также возможность получения больших энергий были реализованы при накачке электронным пучком газовых смесей, состоящих из

инертного газа и донорных атомов галогена. Среди этих смесей типичной для XeF-лазера является газовая смесь По крайней мере очевидно, что данная смесь обеспечивает оптимальные характеристики работы -лазера. Эта смесь выбрана в результате детального исследования различных кинетических и оптических процессов, определяющих поведение рассматриваемой лазерной системы.

Рис. 5 Основные каналы потоков энергии в смесях при накачке электронным пучком. Энергия, поступающая от электронного пучка, отмечена стрелками при слове «накачка». Атом или молекула в каждом из прямоугольников в совокупности с компонентами, указанными у стрелок, соответствующих данной реакции, образуют продукты реакции, каждый из которых приводится в последующих прямоугольниках. Указаны также длины волн излучения, испускаемого различными частицами. Эти частицы могут тушиться при столкновениях с (не показано) Предполагается, что молекула предиссоциирует

На рис. 5 представлена сложная последовательность реакций, которые приводят к заселению верхнего лазерного уровня. Некоторые из указанных реакций были исследованы раньше, чем

был открыт XeF-лазер, однако в настоящее время все эти реакции довольно хорошо описаны.

С момента открытия галогенидов инертных газов было также начато изучение молекул галогенов как возможных кандидатов для использования в лазерных системах. В настоящее время лазерная генерация получена на всех гомоядерных молекулах галогенов и на галогенидах фтора. Электронная структура возбужденных состояний во многом аналогична структуре возбужденных состояний галогенидов инертных газов и представляет собой связанный комплекс ионной пары, которую можно схематически записать как Эти возбужденные состояния можно эффективно получать, используя следующие два кинетических механизма, которые действуют в галогенидах инертных газов:

1) гарпунная реакция:

2) ион-ионная рекомбинация:

К сожалению, как было показано, лазеры на молекулах галогенов имеют значительно более низкий кпд, чем лазеры на галогенидах инертных газов. По-видимому, большей частью это обусловлено тем, что на процесс лазерной генерации влияют процессы нестационарного фонового поглощения и эффект «узкого горла» для связанного нижнего лазерного уровня. За исключением случаев F2 и лазерам на молекулах галогенов уделяется значительно меньше внимания, чем лазерам на молекулах галогенидов инертных газов, имеющим лучшие характеристики и излучающим в аналогичной области спектра.

Развитие идеи, согласно которой возбужденные состояния можно получать в гарпунных реакциях и при ион-ионной рекомбинации, недавно привело к созданию нового класса достойных представителей эксимерных лазеров, основанных на молекулах галогенидов ртути. Эти новые лазерные системы значительно расширяют область генерации в видимой части спектра, и в частности создают перспективу получения высоких кпд генерации в условиях возбуждения электрическим разрядом. Однако подобные проекты пока еще не реализованы. Достижение всех потенциальных возможностей лазера на галогенидах ртути требует более полного понимания кинетических и оптических процессов, протекающих в активной среде, а также решения необычайно трудной задачи, связанной с работой с реагирующими газами при высоких температурах.

Лазеры на новом классе эксимерных молекул — трехатомных галогенидах инертных газов с общей формулой занимают последнее место в списке эксимерных лазеров. Двумя примерами из этого класса устройств, созданных в настоящее время, являются лазеры на молекулах нм [73] и нм [74]. Эти молекулы — настоящие эксимеры в том смысле, что их нижний лазерный уровень действительно отталкивательный. Данное обстоятельство приводит к возможности широкополосной перестройки вплоть до 100 нм. Новый класс эксимерных лазеров позволяет получить непрерывно перестраиваемое лазерное излучение в диапазоне от 200 до 570 нм, что достигается соответствующим выбором возможных типов молекул вида . К сожалению, за указанную возможность широкой перестройки приходится платить ценой уменьшения сечения вынужденного излучения. А это значит, что в настоящее время разработка потенциально эффективных перестраиваемых лазеров потребует новых газовых смесей и методов их накачки, чтобы избежать влияния нестационарного фонового поглощения, возникающего в лазерной среде всякий раз, когда ее возбуждают электронным пучком или разрядом.