Кинетика активных сред рекомбинационных газоразрядных лазеров

Актуальность темы

Диссертация посвящена комплексному исследованию кинетики процессов, определяющих накачку и инверсию населенностей на переходах в спектрах нейтральных атомов, однои многозарядных ионов в рекомби-нирующей газоразрядной плазме, а также поиску новых перспективных активных сред рекомбинационных лазеров и способов их возбуждения.

Рекомбинационные лазеры (РЛ) — лазеры, инверсная заселенность в которых возникает в период рекомбинации плазмы, обладают рядом привлекательных черт, обеспечивших в последнее время их интенсивное развитие [1−10]. В первую очередь могут быть отмечены потенциальная возможность ввода в плазму высоких плотностей энергии и получения высоких выходных мощностей, а также возможность возбуждения в рекомбинирующей плазме переходов в спектрах не только атомов и ионов, но таюке и многозарядных ионов, что перспективно для создания лазеров коротковолнового диапазона.

Наиболее удобным и распространенным способом возбуждения РЛ является газоразрядный способ. Газоразрядные лазеры представляют собой обширный класс источников излучения высокого качества, которые обеспечивают генерацию в широком диапазоне длин волн, обладают высокими выходными характеристиками и находят широкое применение для решения большого круга научных и практических задач [5−22].

Рекомбинационные газоразрядные лазеры обладают всеми достоинствами, присущими газоразрядным лазерам. Они имеют достаточно простую конструкцию, их излучение обладает высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью, узкой линией генерации. Импульсный режим возбуждения РЛ позволяет достигать высокого усиления как правило на нескольких переходах и тем самым обеспечивать во многих активных средах одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра. Применение импульсно-периодического режима с высокой частотой следования импульсов позволяет достигать высоких значений как импульсной, так и средней мощности генерации. При этом в рекомбинационных лазерах на парах металлов (ЛПМ) использование режима саморазогрева решает задачу ввода паров в активную среду и обеспечивает достаточно высокий практический КПД [5−10], а наличие эффекта расконтраги-рования разряда [23−27] позволяет обеспечивать пространственную однородность активных сред при высоких давлениях вплоть до нескольких атмосфер. Высокие выходные характеристики и возможность генерации высококачественного излучения в широком диапазоне длин волн от мягкого рентгеновского до ИК диапазона делает рекомбинационные газоразрядные лазеры перспективными для многих практических применений.

Плазма, служащая активной средой газоразрядных лазеров, является термодинамически неравновесной. По отклонению от равновесия различают перегретую (ионизационно-неравновесную) и переохлажденную (рекомбинационно-неравновесную) плазму. Поскольку степень ионизации, как правило, не является равновесной, то состояние плазмы можно классифицировать по отклонению степени ее ионизации от равновесного значения для данной электронной температуры. Если плазма имеет недостаточную для равновесия степень ионизации, то плазма преимущественно ионизуется, в противном: случае преобладают процессы рекомбинации заряженных частиц. Лазеры на переохлажденной плазме: обычно называют рекомбинационными или плазменными, а лазеры на перегретой плазме-газовыми [1−10].

Лазеры с одним типом неравновесности активных сред имеют’ряд общих свойств, отличных от лазеров с другим типом неравновесности. Так, газовые лазеры генерируют, как правило, на переднем фронте возбуждающего импульса (их типичными представителями являются самоограниченные лазеры на переходах атомов меди, золота, свинца, а также атомов: и ионов стронция, кальция, бария [7−8, 11−14, 20−22, 28−29]) или в непрерывном режиме: в газах низкого давления (например, ионные аргоновый и криптоновый лазеры [8, 18- 30]). Рекомбинационные же лазеры обычно генерируют в послесвечении импульсного разряда (например, ионные лазеры на фиолетовых переходах стронция (fc=430,5 и 416,2 нм SrII), на УФ переходах кальция (А.=373,7 и 370,6 нм Gall), на зеленой линии ртути ()l=567−7 нм Hgll) [5−10]). При этом расположение уровней, удобное для формирования инверсии при возбуждении электронным ударом из основного состояния атома или иона, как правило, не приводит к инверсии при рекомбинационной накачке и наоборот [8].

Впервые возможность использования рекомбинирующей плазмы в качестве активной среды для лазеров была показана в 1963 г. в работе Л. И. Гудзенко и Л. А. Шелепина [31], где на основе теоретического анализа неравновесной водородной плазмы сделан вывод о возможности получения значительных коэффициентов' усиления. В дальнейших теоретических работах рассматривались различные механизмы, приводящие к быстрому охлаждению свободных электронов — охлаждение за счет столкновений с тяжелыми частицами, пристеночное охлаждение за счет амбиполярной диффузии^ разлетный механизм охлаждения [32−34]. Проводился анализ релаксационных процессов, приводящих к инверсии населенностей в атомах и ионах с различной электронной структурой [35−37]. Изучалась возможность создания коротковолновых лазеров за счет рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов [4, 38−42]. Развивалась теория лазеров на электронных переходах разлетных молекул [43−44]. Для получения интенсивно рекомби-нирующей плазмы рассматривалась возможность использования послесвечения импульсного разряда [37], разлетающегося в вакуум плазменного сгустка [34], лазерной плазмы [38]. Была показана принципиальная возможность создания непрерывного РЛ на основе плазмы, стационарно рекомбинирующей при воздействии электронного пучка [45], продуктов ядерных реакций [46]. Поскольку одной из задач в реализации РЛ является эффективное очищение нижнего лазерного уровня, анализировались различные схемы его очистки: радиационный распад [3132], девозбуждение при столкновениях с медленными электронами [35, 37], очистка ионизирующейся примесью [1, 3, 45"47−48].

К началу 1970;х годов теоретические исследования РЛ оформились в самостоятельное научное направление, значительный вклад в развитие которого внесли работы Л. И. Гудзенко, Л. А. Шелепина, С. И. Яковленко с сотрудниками [1−4, 8, 45−55]. Примерно в это же время начались систематические целенаправленные экспериментальные исследования РЛ [56−65].

Генерация в спектрах нейтральных атомов в импульсном разряде была получена при различных типах рекомбинации заряженных частиц.

В частности, генерация на ИК переходах в спектрах Аг1, Кг1, Хе1 наблюдалась в смесях инертных газов (лучшими выходными характеристиками обладает линия А.= 1,73 мкм Хе1). Наиболее высокие характеристики генерации достигались при больших давлениях газов (порядка атмосферного). При столь больших давлениях используется преимущественно электроионизационный и электронно-лучевой метод создания плазмы [66−75]. В этих условиях накачка возбужденных уровней в послесвечении, а также частично в период действия электронного пучка, обусловлена процессами диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов инертных газов:

При давлениях значительно ниже атмосферного накачка в послесвечении в основном обусловлена ударно-радиационной рекомбинацией атомарных ионов:

Генерация на А.=844,6 нм 01 в послесвечении разряда в кислороде осуществлялась при накачке диссоциативной рекомбинацией (1) [76]. Процесс ион-ионной рекомбинации:

А2+ + е —" А* + А, АВ+ + е —" А* + В.

1) (2).

А+ + е + е (А, В) А* + е (А, В).

3).

А+ + В~ —> А* + В.

4) обеспечивал накачку и генерацию на ИК переходах атомов натрия (А=1,138 и 1,140 мкм) и калия (Л,=1,243 и 1,252 мкм) в их смесях с водородом [77−80].

В [81] установлена решающая роль ион-ионной рекомбинации в накачке резонансного уровня при генерации на резонансном переходе алюминия с Л.=396,2 нм, полученной при облучении алюминиевой мишени АгБ лазером (А,=193 нм) и разлете паров алюминия в водород. Основным источником получения ионов А1+ и Н~ являлась фотоионизация компонент А1-Н2 смеси излучением АгБ лазера. В [82] исследовались спектральные и электрические характеристики импульсно-периодического разряда в парах алюминия с водородом в присутствии буферных газов неона и гелия с целью поиска разрядных условий, которые бы позволили реализовать в разряде физические процессы, аналогичные фотопроцессам при освещении металлических мишеней эксимерными лазерами.

Серия работ [83−86] посвящена поиску новых возможных систем для реализации импульсных лазеров, инверсия в которых образуется в процессе ион-ионной рекомбинации. В частности, рассмотрены возможные пары положительных ионов металлов и отрицательного иона кислорода. Также экспериментально установлена заметная роль ион-ионной рекомбинации в формировании послесвечения импульсного разряда в смесях галогенидов металлов с водородом и буферным газом гелием.

Наибольшее количество линий генерации в спектрах нейтральных атомов было получено при накачке ударно-радиационной рекомбинацией:

А+ + 2е —" А* + е. (5).

Основная часть этих линий принадлежит ИК диапазону. В их числе находятся генерация на переходе 4−3 атома водорода (А,= 1,87 мкм) [58], на Зр-Зз переходах атомов углерода (А,=1454, 1069, 1068, 966, 941 нм) и на ряде переходов в атоме азота (А=906,4- 862,9- 859,4 нм) [87−89]. Генерация в послесвечении наблюдалась также на ИК атомных переходах ртути, кадмия, цинка, магния, таллия, олова, серы, никеля, свинца [90−96].

В [97−99] была предложена новая методика создания рекомбинирующей газоразрядной плазмы — сегментированный искровой разряд, который возбуждался в небольших зазорах между рядом тонких металлических полосок, размещенных на диэлектрической подложке. Под действием разряда атомы металла вводятся в плазму между полосками, ионизируются, и плазменные сгустки расширяются полусферически в окружающий буферный газ (преимущественно гелий). При этом плазма быстро охлаждается и рекомбинирует. При использовании сегментированного искрового разряда была получена генерация при реком-бинационной накачке на 54 переходах ближнего ИК диапазона в спектрах атомов углерода, кадмия, цинка, магния, олова, свинца, серебра, индия, кальция, меди, висмута, лития, алюминия.

Генерация на атомарных переходах видимого диапазона, нижними уровнями которых обычно являются сильнозаселенные метастабильные и резонансные состояния, может быть получена при использовании столкновительного механизма очистки. Так, в [100] была получена генерация на переходе атома кадмия 6 S] - 5 Pi (А.=480 нм) в послесвечении поперечного разряда в смеси паров кад.

•7 мия с водородом и гелием при очистке нижнего уровня 5 Pi в столкновениях с молекулами водорода.

Одним из эффективных способов столкновительной очистки нижнего лазерного уровня является очистка ионизирующейся примесью [1, 3, 45, 47]. Экспериментально такая схема инверсии при очистке реакцией Пеннинга на водороде впервые была по-видимому реализована на линии гелия A.=706,5 нм Hei в послесвечении продольного импульсного разряда в смеси Не-Н2 [101], а также на желтой линии неона А.=585,3 нм Nel в послесвечении поперечного разряда в смеси Ne-H2 [102−103]. Высокие удельные мощности генерации были получены при возбуждении Ne-H2 лазера электронным пучком [104−105], что свидетельствует о перспективности Ne-H2 лазера при таких способах газоразрядного возбуждения, которые обеспечивают эффективную ионизацию рабочего газа, например, за счет наличия-в плазме группы быстрых немаксвелловских электронов.

Потенциалы как однократной, так и двукратной ионизации многих элементов сравнительно невелики, что позволяет получать в условиях газового разряда значительные концентрации не только однократных, но и двукратных ионов и осуществлять в послесвечении рекомбинационную накачку ионных переходов, имеющих более короткие длины волн по сравнению с атомарными переходами.

Одними из первых экспериментальных работ, посвященных исследованиям ионных рекомбинационных лазеров, были работы, начатые в 1972 году E.JI. Jla-тушем и М. Ф. Сэмом с сотрудниками в Ростовском государственном университете [56−57, 59−65]. Результатом этих работ, обобщенных в [5−6, 9−10], является создание класса ионных рекомбинационных лазеров на парах металлов.

В частности, была впервые получена генерация на 35 ионных переходах щелочноземельных металлов, алюминия, олова и свинца в послесвечении импульсного разряда при накачке ударно-радиационной рекомбинацией:

А" 14″ + 2е —" А+* + е, (6) а также была исследована генерация при рекомбинационной накачке на ионных переходах ртути, кадмия, цинка.

Была показана важность электронного девозбуждения [106]:

А+** + е -> А+* + е, (7) которое перераспределяет населенности близкорасположенных уровней, а значит существенно влияет на создание инверсии в условиях рекомбинирующей плазмы.

С учетом роли электронного девозбуждения были сформулированы общие требования к расположению лазерных уровней для формирования инверсии в условиях рекомбинационно-столкновительной кинетики:

— верхний лазерный уровень должен быть одним из нижних в верхней группе близкорасположенных уровней;

— нижний лазерный уровень должен быть одним из верхних в нижней группе близкорасположенных уровней;

— нижний лазерный уровень не должен располагаться слишком близко к основному состоянию;

— уровень электронной температуры Тс должен быть как можно ниже, а концентрация электронов пс должна быть достаточно высокой, чтобы вероятность столкновительных переходов внутри групп превосходила вероятность оптических переходов.

Именно при таком расположении уровней электронное девозбуждение способствует концентрации накачки на верхнем лазерном уровне и эффективной очистке нижнего уровня.

Наиболее эффективными из ионных рекомбинационных лазерных переходов являются переходы 62Si/2 — 52P3/2>i/2 SrII (А.=430,5 и 416,2 нм) и 52S½ — 42P3/2-i/2 Call (к=373,7 и 370,6 нм), что является следствием удачного расположения лазерных уровней с точки зрения рекомбинационно-столкновительной кинетики [5−10]. Генерация на фиолетовых и УФ линиях ионов стронция и кальция наиболее эффективна при больших давлениях легкого буферного газа гелия, способствующих быстрому и глубокому охлаждению электронов в послесвечении, необходимому для достижения высокой скорости рекомбинационной накачки (коэффициент ударно-радиационной рекомбинации а^ резко зависит от электронной температуры.

Те, а также от заряда иона Z: ar = 9,2M0″ 27Z3 In-Vz2 +1 -Т'9'2 [3, 5−6, 107−110]- здесь Те измеряется в эВ). Достаточно высокие достигнутые значения средней (до ~4 Вт) и импульсной (до ~20 кВт) мощности генерации, коэффициента усиления (—0,1 см" 1) и КПД (-0,1%) при высоком качестве излучения ставят рекомбинацион-ные He-Sr+ и Не-Са+ лазеры в ряд лучших источников лазерного излучения фиолетового и УФ диапазонов.

Исследования механизмов генерации в послесвечении импульсного разряда [5−10, 111−131] показали, что существенную роль в накачке ряда ионных лазерных переходов (в том числе, в спектрах элементов II группы) в рекомбинирующей плазме играют удары 2 рода между тяжелыми долгоживущими частицами с тепловыми энергиями, при которых возбужденный атом или ион буферного газа передает энергию атому или иону примеси. Было показано также [128], что в условиях рекомбинационно-столкновительной кинетики удары 2 рода могут быть рассмотрены как процессы, увеличивающие, начинаяс некоторого уровня, рекомбинаци-онный поток, проходящий по уровням энергии сверху вниз. При этом сохраняют силу сформулированные выше требования к расположению лазерных уровнейВ частностинакачка может осуществляться за счет следующих реакций: •.

— квазирезонансной перезарядки с возбуждением и с ионизацией.

А + В -> + В,.. ' (8).

А + В±> А^+В + е- ,• (9).

— пеннинговской ионизации атомов примеси метастабилями буферного газа;

А ь В (ш) —> А+* ь В + е,. (10).

А-ь В (ш) ^ А^-ь В + 2с-. • • ." .' (110.

— ступенчатьшпроцессов передачи возбужденияш-пеннинговской ионизации.

А+ + В (т) —> А^* + В- (12>

А4″ + В (т) —" А^ + В-+ е. (13).

Возможны также процессы, когда оба участвующих в реакции компонента находятся ввозбужденном! состоянииоднако поскольку концентрации их существенно меньше, чем концентрации-атомов-и, ионов? восновном?состояниивклад их в накачку обычно невелик [5−6- 8−10]. Заметим, что для? накачки уровнейза счет соударенийгтяжелых частиц не требуютсянизкие электронные температуры,.поэтому этот, механизм накачки реализуется ¿-также и в ионизационном режиме возбуждения, в том числе в стационарном разряде [5−10, 131].

В настоящей работе исследовались активные среды как с рекомбинационной накачкой, так и с накачкой ударами 2 рода в рекомбинирующей плазме.

В число наиболее-эффективных лазеров, накачиваемых ударами 2 рода, входят лазеры на ионных переходах ртути (к=615 и 794,5 нм Н§ И), кадмия (А,=441,6- 533,7 и 537,8 нм СаП), криптона (Х=469,4- 458,3 и 431,8 нм КгИ) [5−10, 131]. В рекомбинационных же лазерах на ионных переходах стронция и кальция реакция перезарядки с ионизацией (9) является дополнительнымканаломсоздания двукратных ионовметаллов в период рекомбинации плазмьь [5−10].

Результаты проведенных в РГУ исследований послужили стимулом к постановке исследований ионных рекомбинационных лазеров также во многих других лабораториях в нашей стране и за рубежом [7−8, 132−152].

Что касается исследований генерации на переходах многозарядных ионов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, то ко времени выполнения настоящей работы эти исследования находились лишь в начальной стадии. Наибольший интерес представляют работы [98−99, 153], где в сильноточном сегментированном искровом разряде наряду с упоминавшейся выше генерацией в атомных спектрах была получена генерация на переходах ионов цинка, магния, олова, свинца, серебра, индия, кальция, меди, алюминия, а также на ряде переходов МП, BilII, A1III при накачке уровней ионов различной кратности Z ударно-радиационной рекомбинацией:

Az+ + 2е A (z" 1)+* + е. (14).

Эти результаты свидетельствуют о перспективности использования сильноточного газового разряда для возбуждения рекомбинационных лазеров на переходах многозарядных ионов.

Таким образом, к началу данной работы (1982 г.) рекомбинационные газоразрядные лазеры уже сформировались как самостоятельный класс лазеров. В то же время стало очевидным, что перспективы дальнейшего развития PJI связаны с необходимостью глубоких комплексных исследований свойств и характеристик их активных сред. Также определился круг задач этих исследований. Исследования, представленные в диссертации, продолжают исследования рекомбинационных лазеров, начатые научной группой Ростовского государственного университета (в дальнейшем Южного федерального университета). В них отражен научный вклад автора в развитие этого направления.

Объектами данных исследований являются активные среды наиболее эффективных лазеров на ионных переходах, накачиваемых в рекомбинирующей плазме процессами рекомбинации и ударами 2 рода (He-Sr+, Не-Са+, He-Hg+, Не-Cd+, He-Kr+ лазеры), а также лазеров на переходах нейтральных атомов (Ne-H2 и He-Hg лазеры) и многозарядных ионов (ТИП, OUI и XelV).

Предметом этих исследований являются физические механизмы, определяющие накачку и инверсию в период рекомбинации плазмы, общие закономерности, присущие активным средам рекомбинационных газоразрядных лазеров, оптимальные способы и условия их возбуждения.

Актуальность исследований определяется тем, что они позволяют расширить набор длин волн генерации, получить одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра, в том числе в коротковолновом диапазоне, установить механизмы накачки и инверсии, найти пути повышения выходных характеристик и способы оперативного управления ими, определить достижимые характеристики генерации, выявить общие закономерности, присущие активным средам, прогнозировать оптимальные параметры возбуждения рекомбинационных лазеров и их выходные характеристики. Плазма рекомбинационных газоразрядных лазеров отличается большим разнообразием происходящих в ней элементарных процессов взаимодействия частиц, а также наличием таких явлений, как контракция, расконтрагирование, катафорез. Детальные исследования этих процессов и явлений также представляют интерес для смежных областей — физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.

Цель диссертационной’работы. В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы являлись комплексные экспериментальные и теоретические исследования кинетики процессов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, направленные на поиск новых перспективных активных сред рекомбинационных газоразрядных лазеров на переходах атомов, однои многозарядных ионов и способов их возбуждения, установление физических механизмов, формирующих инверсию в период рекомбинации плазмы, определение достижимых характеристик генерации, выявление закономерностей, присущих активным средам, и определение оптимальных условий их возбуждения.

Основные задачи научных исследований. Конкретная реализация цели работы предполагала решение следующих задач:

— экспериментальное исследование активной среды Ne-H2 лазера при возбуждении в различных типах разрядаисследование продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами как способа возбуждения активных сред (в частности, Ne-H2, Не-Кг+ и He-Cd+ лазеров), сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом;

— поиск новых рекомбинационных лазерных переходов в спектре Hglкомплексное исследование механизмов формирования инверсии на переходах Hgl и Hgll;

— экспериментальное исследование возможности осуществления рекомбина-ционной накачки уровней многозарядных ионов (в частности, уровней ТИП, OUI, XelV) в плазме сильноточного импульсного разрядапоиск рекомбинационных лазерных переходов в спектрах многозарядных ионов;

— экспериментальная оптимизация саморазогревных He-Sr+ и Не-Са+ лазеров различных геометрических размеров, поиск общих закономерностей, присущих их активным средамсоздание отпаянного экспериментального образца Не-Са+ лазераанализ возможных практических применений рекомбинационных лазеров;

— разработка и тестирование самосогласованных математических моделей He-Sr+ и Не-Са+ лазеровчисленное исследование пространственно-временных характеристик активных сред, в том числе исследование механизмов явлений контракции и расконтрагирования импульсно-периодического разряда;

— комплексное исследование механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик Не-Бг4″ и Не-Са+ лазеров, поиск путей повышения выходных характеристик и способов оперативного управления ими, определение достижимых характеристик генерации;

— комплексное исследование возможности осуществления катафорезного ввода паров металлов в активные среды лазеров на парах металлов в условиях продольного импульсно-периодического разрядаэкспериментальная реализация катафорезных импульсно-периодических Не-Сё+ и Не-8г+ лазеров.

Научная новизна работы определяется поставленными задачами и рядом впервые полученных научных результатов. К наиболее существенным можно отнести следующие новые результаты:

1. Впервые получена и исследована генерация на переходе А.=585,3 нм № 1 в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом и продольного разрядаустановлено, что основным механизмом накачки при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, механизмом очистки нижнего уровня — реакция Пеннинга на водороде.

2. Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами как способ возбуждения активных сред рекомбина-ционных лазеров, сочетающий свойства продольного разряда и разряда с полым катодом. Впервые при возбуждении в этом разряде получена и исследована генерация в рекомбинирующей плазме на переходах N61 (А,=585,3 нм), КгП (А.=469,4- 458,3 и 431,8 нм), СсШ (А.=441,6- 533,7 и 537,8 нм).

3. Впервые получена и исследована генерация на 7 ИК переходах установлен рекомбинационный механизм накачки. Установлено эффективное заселение перезарядкой уровней бейтлеровского спектра определены парциальные сечения перезарядки ионов гелия на атомах ртутипоказано, что основными механизмами накачки в рекомбинирующей плазме являются ударно-радиационная рекомбинация для Х=561,1 нм Н^П и перезарядка для ^=615 нм Н^П, а вклад в накачку ступенчатой реакции Пеннинга пренебрежимо мал.

4. Впервые получена и исследована генерация на 4 переходах Т1Ш (А=468, 482, 770 и 806 нм) в ионизационном режиме возбужденияполучена и исследована генерация при рекомбинационной накачке на 3 переходах 01П и на 9 переходах Хе1У УФ и видимого диапазонаустановлено, что ступенчатая ионизация играет преобладающую роль в создании ионов высокой кратности, а основными механизмами охлаждения электронов в послесвечении являются упругие электрон-ионные соударения и диффузионное охлаждение.

5. Установлены общие закономерности, присущие активным средам самора-зогревных He-Sr+ (А=430,5 нм SrII) и Не-Са+ (А,=373,7 нм Call) лазеровустановлены механизмы, ограничивающие рост энергетических характеристик генерации.

6. Установлены механизмы явлений контракции и расконтрагирования в активных средах He-Sr+(Ca+) лазеров, а также основные закономерности, свойственные этим явлениям.

7. Впервые теоретически обоснован и экспериментально реализован ката-форезный ввод паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металлов, в том числе при больших давлениях (до 1 атм). Найдены обобщенные критерии аксиальной и радиальной однородности их активных сред. Впервые при катафорезном вводе паров получена и исследована им-пульсно-периодическая генерация на переходах Cdll (А.=441,6- 533,7 и 537,8 нм) и на переходе А=430,5 нм SrII.

Научная значимость полученных в работе результатов состоит в следующем:

— показана эффективность рекомбинирующей газоразрядной плазмы как активной среды лазеров на переходах атомов, однои многозарядных ионов;

— разработаны теоретические основы для создания эффективных рекомбина-ционных лазеров, в том числе коротковолнового диапазона, и экспериментально обоснованы пути их практической реализации- |.

— найдены новые перспективные активные среды и способы их возбуждения, установлены физические механизмы, определяющие свойства и характеристики активных сред рекомбинационных лазеров;

— установлены закономерности, присущие активным средам рекомбинационных лазеров, определены оптимальные условия их возбуждения, найдены критерии пространственной однородности активных сред, определены достижимые характеристики генерации;

— созданы лазеры нового типа — катафорезные импульсно-периодические лазеры на парах металлов;

— результаты работы могут представлять интерес при исследованиях широкого класса газоразрядных лазеров, а также для физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.

Практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты могут являться основой при разработке и создании рекомбинационных лазеров с высокими выходными характеристиками, перспективных для практических применений, а также могут быть использованы при дальнейших, в том числе прикладных, исследованиях рекомбинационных лазеров. К наиболее важным можно отнести следующие из таких результатов:

1. Проведены комплексные исследования по разработке и оптимизации рекомбинационных лазеров, в результате которых:

— достигнуты максимальные для рекомбинационных лазеров частоты следования импульсов 30−50 кГц и рекордные для He-Sr+ (А,=430,5 нм SrII) лазеров.

3 1 удельная средняя мощность 277 мВт/см и коэффициент усиления 0,15 см" ;

— достигнут рекордный для Ne-H2 (А,=585,3 нм Nel) лазера коэффициент усиления 160 дБ/м;

— расширен набор длин волн генерации за счет новых лазерных переходов — 7 ИК переходов Hgl и 4 видимых и ИК переходов ТИП;

— реализована одновременная многоволновая генерация на переходах Sri и SrII (к-6,456 и ~3 мкм Sriи 0,4305 мкм SrII), KrII (Л.=469,4- 458,3 и 431,8 нм), Cdll (A,=441,6- 533,7 и 537,8 нм), OUI (Х.=375,5- 376,0 и 559,2 нм), XelV (Х.=335,0- 430,6- 495,4- 500,8- 515−9- 526,0- 535,3- 539,5 и.595,6 нм);

— показана перспективность сильноточного импульсного разряда как способа реализации активных сред рекомбинационных лазеров коротковолнового диапазона на переходах многозарядных ионов;

— показана перспективность катафорезного ввода паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металловразработана практическая конструкция катафорезного импульсно-периодического He-Sr+ (A,=430,5 нм SrII) лазера;

— показана перспективность продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами, сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом, как способа возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров;

— разработан отпаянный экспериментальный образец (макет) Не-Са+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию (А,=373,7 нм Call) с уровнем средней мощности 0,3 Вт (макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР).

2. Найдены пути повышения выходных характеристик He-Sr+(Ca+) лазеров и способы оперативного управления ими, определены достижимые характеристики генерации.

3. Разработаны самосогласованные математические модели He-Sr+(Ca+) лазеров, которые могут применяться как инструменты исследований кинетики активных сред, а также для прогнозирования оптимальных параметров возбуждения и выходных характеристик.

4. Разработана основанная на установленных для саморазогревных He-Sr^Ca*) лазеров закономерностях методика расчета оптимальных параметров возбуждения и характеристик генерации, которая может применяться при анализе и систематизации. результатов экспериментов, а также при инженерных расчетах активных элементов и схем их импульсного возбуждения.

5: Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппроксимационные формулы для форм-фактора в центре линий со. смешанным фойгтовским контуром, имеющие низкую погрешность (<6% и <1%).

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

Г. Результаты экспериментальных исследований Ne-H2 лазера:

— впервые генерация на переходе 7^=585,3 нм Nel получена и исследована в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом, продольного разряда^ а также продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами;

— установлено, что основным механизмом накачки-в рекомбинирующей плазме при условиях,. типичных для генерацииявляетсяударно-радиационнаярекомбинация ионов неона, а основным механизмом очистки нижнего уровня является реакция Пеннинга на водороде. .

2. Результаты комплексных исследовании механизмов, формирующих ин-. версию населенностей на полученных новых лазерных переходах в спектре Hgl, а также на переходах Hgll в рекомбинирующей плазме. :

3. Результаты экспериментальных исследований возможности осуществления. рекомбинационной накачки уровней, многозарядных ионов и генерации в спектрах многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде.

4. Результаты экспериментальных исследований саморазогревных He-Sr+ (А,=430,5 нм SrII) и Не-Са+ (А,=373,7 нм Gall) лазеров, включающие установленные закономерности:

— существование оптимального давления гелия обусловлено ограничением скорости охлаждения электронов при больших давлениях вследствие • греющего воздействия заднего фронта импульса токаоптимальное давление соответствует примерному равенству длительности заднего фронта импульса тока и времени охлаждения электронов в раннем послесвечении;

— оптимальным является энерговклад в разряд, одновременно обеспечивающий достаточно высокий процент двукратной ионизации атомов металла и согласование лазерной трубки со схемой накачки путем достижения необходимой величины сопротивления плазмы.

5. Разработанные самосогласованные математические модели Не-Бг*" и Не-Са+ лазеров, позволяющие рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме.

6. Результаты исследований механизмов явлений контракции и расконтра-гирования в активной среде Не-Бг+ лазера.

7. Результаты комплексных исследований катафорезных импульсно-периодических лазеров на парах металлов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, научных положений и выводов определяется применением современных методов исследований и их комплексным характером, воспроизводимостью результатов, взаимным соответствием результатов экспериментов и теоретического анализа, практической реализацией научных положений и выводов при создании эффективных рекомби-национных лазеров, а также согласием с данными других авторов.

Реализация результатов работы. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводившихся кафедрой квантовой радиофизики ЮФУ в период 1982;2008 гг., а также в ходе выполнения ряда проектов в области фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных грантами: Минобразования (№Е20−3.2−157), ФЦП «Интеграция» (проект № 582), РФФИ (№ 96−02−19 750, № 99−02−17 539, № 04−02−96 804, № 06−02−26 126). Полученные в работе результаты нашли отражение в научно-технических отчетах по выполненным НИР. Результаты проведенных исследований и разработанные активные элементы рекомбинационных лазеров используются на физическом факультете ЮФУ при выполнении НИР и в учебном процессе в программах подготовки студентов, магистрантов и аспирантов. Некоторые результаты работы были использованы при совместных с ТГУ (г. Томск) исследованиях многоволнового лазера на парах стронция. Разработанные активные элементы использовались в качестве инструментов научных исследований, проводившихся в ЮНЦ РАН и НИИ ФОХ ЮФУ (г. Ростов-на-Дону).

Личный вклад автора. В исследованиях, представленных в диссертации, автору принадлежат инициатива проведения исследований, постановка задач, анализ и интерпретация полученных результатов. Результаты экспериментальных и теоретических исследований получены лично автором либо при его определяющем участии. Разработка математических моделей и численные эксперименты проводились под руководством и при непосредственном участии автора. На различных этапах исследований в постановке некоторых конкретных задач и обсуждении результатов принимали участие Е. Л. Латуш и М. Ф. Сэм.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях (включая 22 статьи в российских журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций). Кроме того, ряд материалов диссертации представлен в научно-технических отчетах, а также отражен в учебно-методических работах автора.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

XIX Всесоюзный съезд по спектроскопии. (Томск, 1983) — Всесоюзное совещание «Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах» (Томск, 1986 г.) — Рабочее совещание «Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров» (Гродно, 1987 г.)—Международный симпозиум «Pulsed Metal Vapour Lasers» (Великобритания, Сэнт Андрюс, 1995 г.) — 5-й Санкт-Петербургский семинар-выставка «Лазеры для медицины и биологии» (Санкт-Петербург, 1997 г.) — Всероссийская конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2000 г.) — III Международная научно-техническая конференция «Квантовая электроника», (Минск, 2000 г.) — Симпозиум «Нанофотоника», (Черноголовка, 2007 г.) — Всесоюзные и Всероссийские семинары и симпозиумы «Лазеры на парах металлов» (Ростов-на-Дону, Новороссийск, Туапсе, Сочи, 1985, 1989, 1991, 1993, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008 г.) — 3-я, 4-я, 5-я, 6-я, 7-я и 8-я Международные конференции «Atomic and Molecular Pulsed Lasers» (Томск, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 г.), 9-й Российско-китайский симпозиум «Laser Physics and Laser Technologies» (Томск, 2008 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и двух приложений. Она содержит 414 страниц, включая 144 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 534 наименований, из них 78 — работы автора.

7.5. Выводы.

1. Проведены оценки средних скоростей прокачки паров металлов за счет катафореза при типичных параметрах возбуждения импульсно-периодических Не-Сс1+ и Не-8г+ лазеров. Показано, что эти скорости могут быть соизмеримы со скоростями прокачки паров в непрерывных ЛПМ, что свидетельствует о принципиальной возможности осуществления катафорезного ввода паров металлов в активные среды импульсно-периодических ЛПМ, в том числе при высоких давлениях.

2. Теоретически исследована динамика катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде и показано, что при типичных параметрах возбуждения импульсно-периодических Не-Бг4 и Не-Сс1+ лазеров возможно достижение достаточно однородного распределения паров за счет катафореза. Получен обобщенный критерий, выполнение которого обеспечивает достаточно высокую однородность аксиального распределения паров в промежутке между источником паров и катодом, и в то же время надежное запирание паров со стороны анода. Установлено, что степень однородности распределения паров тем выше, чем больше длина активной зоны разрядного канала, степень ионизации паров металла, напряженность электрического поля, длительность импульса тока, частота следования импульсов, и тем ниже, чем выше газовая температура. Показано, что высокие степени одно.

355 родности распределения паров достигаются при высоких средних скоростях их прокачки, при этом при равных скоростях более однородные распределения соответствуют большим длинам активной зоны.

3. Найдены времена достижения однородного аксиального распределения паров металла за счет катафореза при типичных для импульсно-периодических Не-Sr+ и He-Cd+ лазеров параметрах возбуждения (эти времена имеют достаточно малую величину порядка секунды). Установлено, что однородное распределение паров будет достигаться тем быстрее, чем выше газовая температура, степень ионизации паров металла, напряженность электрического поля, длительность импульса тока, частота следования импульсов, и тем медленнее, чем больше длина активной зоны и выше давление буферного газа.

4. Впервые экспериментально реализована прокачка паров кадмия за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси He-Cd. Впервые при катафорезном вводе паров кадмия получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на зеленых (1=533,7 и 537,8 нм) и синей (1=441,6 нм) линиях Cdll. Достигнуты максимальные для этих линий в продольном разряде коэффициенты усиления 30%м~' (~1 дБ/м) и 3 дБ/м, что свидетельствует о высокой однородности активной среды. Получена совместная трех-волновая генерация на зеленых и синей линиях Cdll в комбинированном импульс-но-непрерывном режиме.

5. Впервые при возбуждении в «сегментированном» разряде (при катафорезном вводе паров кадмия) получена и исследована импульсно-периодическая и квазинепрерывная трехволновая генерация на синей (1=441,6 нм) и зеленых (1=533,7 и 537,8 нм) линиях Cdll, а также непрерывная генерация на 1=441,6 нм Cdll. Достигнуты высокие коэффициенты усиления (4 дБ/м для 1=441,6 нм и 2 дБ/м для 1=533,7 и 537,8 нм), превышающие усиление в продольном разряде.

6. Впервые экспериментально реализована прокачка паров стронция за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси He-Sr высокого давления -0,3−1 атм. Впервые при катафорезном вводе паров стронция получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на переходе 1=430,5 нм SrII. Достигнуты максимальные для рекомбинаци-онных лазеров частоты следования импульсов генерации 30−50 кГц. При активном объеме 1,84 см получены высокие значения средней мощности генерации 510 мВт, а также удельного энергосъема 10,2 мкДж/см3 и удельной пиковой мощности 46.

3 4*.

Вт/см. Достигнуты рекордные для He-Sr лазеров всех типов удельная средняя.

-> 1 мощность 277 мВт/см и коэффициент усиления 0,15 см" .

7. Детально исследованы механизмы формирования радиального профиля концентрации атомов металла в импульсно-периодических ЛПМ с продольным разрядом. Показано, что перегрев приосевых областей разряда и радиальный катафорез приводят к дефициту активных частиц в приосевых частях лазерной трубки, что может негативно сказаться на характеристиках генерации. Получен обобщенный критерий, выполнение которого обеспечивает величину перепада концентрации атомов металла между стенкой и осью разрядной трубки, не превышающую заданное значение. Этот критерий применим как к катафорезным, так и к традиционным импульсно-периодическим ЛПМ. Полученные аналитические результаты подтверждены численными расчетами с использованием математической модели Не-8г+ лазера и результатами экспериментов.

8. Показано, что для катафорезных импульсно-периодических ЛПМ должны одновременно выполняться критерии аксиальной и радиальной однородности распределения концентрации паров металла и определены границы областей оптимальных параметров возбуждения, обеспечивающих выполнение этих критериев. Полученные результаты позволяют осуществлять целенаправленный выбор условий возбуждения, обеспечивающих пространственную однородность активных сред катафорезных импульсно-периодических ЛПМ и, как следствие, высокие выходные характеристики.

В целом, основным результатом данной главы можно считать создание и исследование лазеров нового типа — катафорезных импульсно-периодических лазеров на парах металлов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение дадим сводку основных полученных в диссертационной работе результатов.

1. Экспериметально исследована возможность получения генерации на переходе Я=585,3 нм Ке1 в смеси №-Н2 при пеннинговской очистке нижнего уровня в рекомбинирующей плазме разрядов различного типа. В результате:

Впервые генерация на переходе Я=585,3 нм № 1 получена и исследована в разряде с полым катодом. Генерация осуществлялась в смеси №-Н2 (а также в этой смеси с добавками гелия и аргона) в импульсно-периодическом режиме (при частотах следования импульсов —1—103 Гц) как в послесвечении (при токах разряда 0,2— 1,3 кА), так и во время импульса тока (при токах 1,5−3 кА). Установлено, что при больших давлениях смеси (>10 Тор) оптимальным является соотношение №:Н2=1:1,5. Достигнут коэффициент усиления 5,2 дБ/м.

Впервые генерация на переходе Я=585,3 нм N61 получена и исследована в продольном разряде при рекомбинационной накачке. Генерация осуществлялась в смеси №-Н2 (в широком диапазоне давлений ~7—100 Тор) в импульсно-периодическом режиме (при частотах следования импульсов ~1−5Т0 Гц). Генерация наблюдалась в послесвечении (при относительно небольших токах разряда ~30—150 А), а также на переднем фронте импульса рекомбинационной накачки (при больших токах ~1,5−3 кА). При этом генерация при больших токах может происходить как на спаде импульса тока (при длинных импульсах тока >0,5 мкс), так и в послесвечении (при коротких импульсах <0,5 мкс). Установлено, что оптимальным для генерации в послесвечении при относительно небольших токах является соотношение №:Н2"1:1,5, в то время как при больших токах оптимально соотношение №:Н2~1:2. Достигнуты коэффициент усиления 10 дБ/м в режиме небольших токов и рекордный для линии А.=585,3 нм N61 коэффициент усиления 160 дБ/м в режиме больших токов.

Установлено, что основным механизмом накачки в рекомбинирующей плазме при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона. Показано, что в плазме продольного импульсного разряда рекомбинационная неравновесность может достигаться не только в послесвечении, но и на спаде импульса тока. Показано, что нижний лазерный уровень атома неона эффективно очищается в смеси №-Н2 за счет реакции Пеннинга на водороде. Установлен селективный характер очистки этого уровня. Выявлено, что временные характеристики генерации в существенной степени определяются неупругими соударениями электронов с возбужденными атомами неона.

— Показано, что эффекты самопоглощения могут существенным образом искажать наблюдаемый временной ход интенсивности линий, что говорит о необходимости учета самопоглощения при исследованиях механизмов накачки уровней спектрально-временным методом и о предпочтительности регистрации спонтанного излучения сбоку трубки.

2. Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами («сегментированный» разряд) как способ возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров, сочетающий свойства продольного разряда (устойчивость разряда, простота конструкции разрядной трубки, возможность катафорезного ввода паров металлов) и разряда с полым катодом (наличие «жесткой» составляющей ФРЭЭ на значительной части активной длины). В результате:

— Изучена зависимость глубины проникновения плазмы в полость металлических" сегментов от условий возбуждения. Показано, что зависимость глубины проникновения плазмы от давления рабочей смеси и внутреннего диаметра сегментов может быть использована в качестве характеристики, определяющей степень проявления эффекта полого катода в «сегментированном» разряде.

— Впервые при возбуждении в «сегментированном» разряде получена и исследована генерация на переходе ^=585,3 нм N61, а также трехволновая генерация на переходах КгП (^=469,4- 458,3 и 431,8 нм). Генерация осуществлялась в ре-комбинирующей плазме в импульсно-периодическом режиме (при частотах сле-дованимя импульсов —1—103 Гц). Достигнуты высокие коэффициенты усиления (12 дБ/м и 3 дБ/м, соответственно), превышающие усиление в продольном разряде (в режиме небольших токов).

— Впервые при возбуждении в «сегментированном» разряде (при катафорез-ном вводе паров кадмия) получена и исследована импульсно-периодическая и квазинепрерывная трехволновая генерация на переходах СсШ (^=441,6- 533,7 и 537,8 нм), а также непрерывная генерация на ^=441,6 нм СсШ. Достигнуты высокие коэффициенты усиления (4 дБ/м для А.=441,6 нм и 2 дБ/м для ^=533,7 и 537,8 нм), превышающие усиление в продольном разряде.

3. Проведены комплексные исследования лазера на атомных и ионных переходах ртути. В результате:

— Впервые получена и исследована генерация на семи переходах в ближней ИК области спектра. Найдены оптимальные условия генерации. Достигнут коэффициент усиления 2−10'3 см" 1. Установлено, что накачка верхних лазерных.

359 уровней в послесвечении осуществляется за счет ударно-радиационной рекомбинации ионов ртути, а накачка в течение импульса тока — за счет электронного удара. Показано, что эффект смещения импульса генерации в позднее послесвечение при повышении тока разряда обусловлен процессами электронного девозбуждения.

— С использованием метода модуляции населенностей определены соотношения между парциальными сечениями перезарядки для уровней Н§ П:

6/72Р'/2|"0,18, и коэффициенты ветвления 77(615 нм) я0,1 и т/(794,5.

О-у Р3/2у Ол] Р3/2) нм)^0,17 для лазерных линий иона ртути 1=615 и 1=794,5 нм ЩН.

— На основе экспериментального исследования временных характеристик спонтанного излучения на линиях^П и измерения их интенсивностей установлено, что уровни бейтлеровского спектра иона ртути эффективно заселяются перезарядкой, а сечение перезарядки распределяется между уровнями одноэлектронного и бейтлеровского спектра ЩП в пропорции примерно 3:7. По результатам количественных оценок вклада уровней Н§ П в полное сечение перезарядки определены абсолютные значения парциальных сечений перезарядки ионов гелия на атомах ртути: 0(72Р3/2)=2,0−10″ 15 см², 0(72Р½)=3,6-Ю" 16 см², 0(6205/2)=2,4−10″ 16 см², б (2Р*з/2)"6−10″ 16 см².

— Проведен сопоставительный анализ характеристик спонтанного и лазерного излучения на видимых переходах Н§ И и результатов математического моделирования активной среды Не-Н§+ лазера. Показано, что при условиях, типичных для генерации, основными механизмами накачки в послесвечении являются процессы ударно-радиационной рекомбинации для 1=567,7 нм Н§ П и перезарядки для 1=615 нм^П. При этом вклад в накачку лазерных уровней Н§ П ступенчатой реакции Пеннинга пренебрежимо мал. Вклад в рекомбинационную накачку ионов Нд" 14″, образуемых при тепловых соударениях однократных ионов ртути и метастабилей гелия, составляет ~5%. Показано существенное влияние на характеристики генерации процессов электронного девозбуждения.

4. Проведены экспериментальные исследования возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов и генерации в спектрах многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде. В результате:

— Проведен анализ изоэлектронных последовательностей ионов и выбраны переходы в спектрах многозарядных ионов (Т1Ш, ОШ, Хе1У), на которых целесообразно исследовать возможность реализации рекомбинационной накачки и генерации.

— Проведен анализ условий, необходимых для осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде.

Показано, что упругие соударения с атомами и ионами легкого буферного газа наряду с процессом амбиполярной диффузии обеспечивают достаточно быстрое (за ~0,1— 1,0 мкс) охлаждение электронов в послесвечении разряда при относительно низких (<1 Тор) давлениях буферного газа (облегчающих получение значительных концентраций многозарядных ионов) и небольших (~0,3 см) диаметрах разрядной трубки. Показано, что с уменьшением концентрации буферного газа и повышением кратности иона резко возрастают требования к крутизне заднего фронта импульса тока.

На примере переходов T1III, OIII и XelV экспериментально показана возможность осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде. Установлена преобладающая роль ступенчатой ионизации в создании ионов высокой кратности.

— Впервые получена и исследована генерация на четырех переходах T1III видимого и ближнего ИК диапазона с А,=468, 482, 770 и 806 нм в ионизационном режиме возбуждения. Достигнут коэффициент усиления 2 дБ/м.

Получена и исследована генерация в рекомбинационном режиме накачки на трех переходах OIII ультрафиолетового и видимого диапазона с A.=375,5- 376,0 и 559,2 нм и на девяти переходах XelV ультрафиолетового и видимого диапазона с A.=335,0- 430,6- 495,4- 500,8- 515,9- 526,0- 535,3- 539,5 и 595,6 нм. Достигнут коэффициент усиления 3 дБ/м на переходе А,=559,2 нм OIII и 2 дБ/м на переходах А,=526,0- 539,5 нм XelV.

— Измерены параметры рекомбинирующей плазмы при характерных для генерации на переходах многозарядных ионов условиях. Показано, что концентрация электронов быстро спадает в раннем послесвечении в основном вследствие амбиполярной диффузии заряженных частиц, а основными механизмами охлаждения электронов являются упругие электрон-ионные соударения и диффузионное охлаждение.

5. Проведены измерения параметров плазмы рекомбинационного He-Sr+ лазера спектроскопическими методами. Установлено, что при типичных для генерации на A,=430,5 нм SrII условиях возбуждения (рые~250−300 Top, ps⁰, l Тор) параметры плазмы принимают следующие значения в раннем послесвечении: Nsr (m)~1012 СМ" 3, 7Уне (т)~1013 см" 3, 7>0,22−0,25 эВ, we"(3−3,5>1014 см" 3. Показано, что наблюдаемый при повышении рНе рост скорости рекомбинационной накачки уровней SrII обусловлен ростом концентрации ионов Sr++ при поддержании низкого уровня Тс в раннем послесвечении.

6. Проведена экспериментальная оптимизация шести саморазогревных активных элементов He-Sr^Ca*) рекомбинационных лазеров (А,=430,5 нм SrII и А-=373,7 нм Call) различных геометрических размеров (/=9—45 см, d= 0,3−1,5 см), выявлены общие закономерности в поведении параметров возбуждения и выходных характеристик, установлены физические механизмы, определяющие эти закономерности. В частности, установлено, что существование оптимального давления гелия обусловлено ограничением скорости охлаждения электронов при больших давлениях вследствие греющего воздействия заднего фронта импульса тока, а значение оптимального давления определяется величиной накопительной емкости и индуктивности и соответствует примерному равенству длительности заднего фронта импульса тока и времени охлаждения электронов в раннем послесвечении. Также показано, что оптимальным является энерговклад в разряд, одновременно обеспечивающий достаточно высокий процент двукратной ионизации атомов металла и согласование лазерной трубки со схемой накачки путем достижения необходимой величины сопротивления плазмы.

7. Разработана и протестирована методика расчета оптимальных параметров саморазогревных He-Sr^Ca*) лазеров, которая позволяет в пределах установленных границ ее применимости, исходя из известных параметров оптимизированных лазерных трубок, с приемлемой для практического использования точностью рассчитывать оптимальные параметры возбуждения и выходные характеристики лазеров с трубками произвольных геометрических размеров. Эта методика может применяться при анализе и систематизации результатов экспериментов, а также при разработке и инженерных расчетах активных элементов рекомбинационных лазеров и схем их импульсного возбуждения.

8. Проведен анализ особенностей конструкций и выходных характеристик малогабаритных (/<33 см, ?/<1,1 см) He-Sr+ и Не-Са+ лазеров. Показано, что одним из путей достижения высоких удельных характеристик генерации является использование в активных элементах толстостенных керамических трубок, обеспечивающих интенсивный теплоотвод. Достигнуты рекордные для саморазогревных He-Sr+ и Не-Са+ лазеров с естественным радиационным и конвективным охлаждением удельные средние мощности генерации (73 мВт/см3 и 50 мВт/см3, соответственно) и коэффициенты усиления (0,14 см" 1 и 0,1 см" 1, соответственно), а также достигнут максимальный для продольных He-Sr+ трубок, работающих при давлениях не выше.

•2.

1 атм, удельный энергосъем 12 мкДж/см. Разработан отпаянный экспериментальный образец (макет) Не-Са+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию на 1=373,7 нм Call с уровнем средней мощности ~0,3 Вт при частоте следования импульсов 5−7 кГц. Макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР. Проведен анализ некоторых возможных практических применений He-Sr^Ca*) лазеров, в том числе малогабаритных, и показана их перспективность.

9. Разработаны и протестированы самосогласованные математические модели Не-Бг+ и Не-Са+ лазеров, позволяющие рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме. Показано, что модели достаточно точно отражают основные закономерности в поведении характеристик активных сред рекомбинационных лазеров и могут служить удобным инструментом исследований их кинетики. Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппрок-симационные формулы для форм-фактора в центре линий со смешанным фойгтов-ским контуром. Погрешность первой, более простой формулы, не превышает 6%, а погрешность второй, более сложной формулы — 1% при любых относительных вкладах уширений лоренцевского и гауссова типов.

10. Для математических моделей Не-Бг+ и Не-Са+ лазеров реализованы два метода автоматической численной многопараметрической оптимизации — метод Нелдера-Мида и генетический алгоритм. Проведен численный поиск оптимальных режимов возбуждения для активных элементов Не-8г+ и Не-Са+ лазеров с различными геометрическими размерами, показавший хорошее согласие с данными экспериментов, что свидетельствует о возможности применения моделей для прогнозирования оптимальных параметров возбуждения и выходных характеристик.

11. С использованием результатов экспериментов и численного моделирования проведен анализ влияния эффектов самопоглощения (и усиления) на временной ход интенсивности спектральных линий в Не-Бг+(Са4) лазерах. Показано, что они могут существенным образом искажать наблюдаемый временной ход интенсивности линий. С учетом самопоглощения дано объяснение эффекту «исчезновения» послесвечения на резонансных линиях ионов и атомов стронция и кальция.

12. Проведен численный расчет и анализ пространственно-временных характеристик активной среды Не-8г+ лазера как в процессе установления импульсно-периодического режима, так и в установившемся режиме. Показано, что установившийся импульсно-периодический режим формируется за -40−50 импульсов, при этом из-за накопления тепла формируется неоднородный по радиусу профиль газовой температуры. Это вследствие термодиффузии наряду с радиальным катафорезом приводит к неоднородному предымпульсному радиальному распределению концентрации атомов металла и, как следствие, к провалу в интенсивности генерации на оси трубки при достаточно больших диаметрах и давлениях см, /?Не>200 Тор). Показано, что увеличивающаяся с ростом диаметра степень пространственной неоднородности плазмы является фактором, ограничивающим рост энергетических характеристик генерации.

13. С использованием математической модели Не-8г+ лазера проведены численные исследования процесса контракции импульсно-периодического разряда в гелии и процесса расконтрагирования разряда при добавлении паров стронция, благодаря которому автоматически обеспечивается достаточно высокая пространственная однородность плазмы при больших давлениях. Установлены основные физические механизмы, определяющие существование явлений контракции и расконтрагирования, а также основные согласующиеся с экспериментами закономерности, свойственные этим явлениям при условиях, типичных для возбуждения рекомбинационных лазеров.

14. Проведены комплексные экспериментальные и численные исследования, направленные на установление физических механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик Не-8г+(Са4) лазеров, поиск возможных способов повышения выходных характеристик и управления ими, определение достижимых энергетических, частотных и спектральных характеристик. В результате:

Проведен анализ возможностей повышения выходных характеристик Не-8г+(Са+) лазеров за счет увеличения давления активной среды. Показано, что повысить среднюю мощность генерации и КПД при больших давлениях можно путем снижения накопительной емкости и индуктивности лазерных трубок, а также за счет резкого обрыва импульса тока. При этом применение независимого ввода паров металла позволяет достичь более высоких оптимальных давлений по сравнению с саморазогревным режимом.

Проведен анализ механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик Не-8г+(Са4) лазеров при увеличении объема активной среды и частоты следования импульсов. Установлено, что с ростом диаметра трубки и частоты средняя мощность насыщается, а затем снижается из-за формирования радиальной неоднородности активной среды вследствие ее перегрева на оси и радиального катафореза, а также из-за замедления релаксации электронной температуры и подъема уровня Ге в раннем послесвечении, обусловленных ростом газовой температуры.

Проведены численные расчеты достижимых энергетических характеристик. Показано, что достижимый максимум погонной мощности Не-8г+ лазера составляет: -6,2 Вт/м для саморазогревных активных элементов из ВеО-керамики и ~7,8 Вт/м — при чернении их поверхности- -7,7 Вт/м при независимом вводе паров металла и —9,4 Вт/м — при его сочетании с чернением- —17 Вт/м при интенсивном принудительном охлаждении активных элементов цилиндрической геометрии и -29 Вт/м — с активными элементами прямоугольного сечения при соотношении размеров стенок 1:3.

— Показана возможность повышения КПД и энергетических характеристик саморазогревных He-Sr^Ca4) лазеров в режиме возбуждения пачками импульсов тока с коротким межимпульсным интервалом. Найдено оптимальное количество импульсов ~10 в пачке с интервалом 1 мкс, при котором усредненный по пачке КПД и средняя мощность генерации могут возрасти на ~21%.

Показано, что пиковая мощность типичного He-Sr+ лазера может быть повышена в режиме разгрузки резонатора более чем на порядок и может достичь значений >10 кВт, при этом импульсы генерации могут быть существенно укорочены.

Проведен анализ возможности оперативного управления характеристиками генерации рекомбинационных лазеров. Численно исследованы два режима управления He-Sr+ лазера — путем изменения момента включения в послесвечении дополнительного подогревающего электронный газ импульса тока и путем изменения его амплитуды. Установлено, что в обоих режимах управления регулировка характеристик генерации может осуществляться в широких пределах, при этом при использовании первого режима кривые управления близки к линейным.

— С использованием математической модели He-Sr+ лазера осуществлен поиск новых потенциальных лазерных переходов в спектре SrII. Показано, что в сильно нестационарных условиях в раннем послесвечении возможно получение инверсии населенностей на УФ переходах 52^з/2,5/2—½, 3/2 SrII (1=338,1 и 346,4 нм) на переднем фронте импульса рекомбинационной накачки.

— В лазере на парах стронция получена и исследована (совместно с ТГУ) одновременная многоволновая видимая и ИК генерация на девяти переходах SrII и Sri (1=0,4305 мкм SrII, 1=6,456- 3,011- 3,066- 2,92- 2,69 и 2,60 мкм Sri, 1=1,033 и 1,091 мкм SrII). Найдены оптимальные для совместной генерации условия возбуждения. Эти результаты позволяют решить задачу визуализации ИК излучения лазера на парах стронция рекомбинационной линией генерации с 1=0,4305 мкм SrII. Проведены исследования частотно-энергетических характеристик генерации на ИК переходах SrII (1=1,033 мкм и 1=1,091 мкм) методом сдвоенных импульсов. На основе результатов экспериментов и численного моделирования показано, что частота следования импульсов генерации в принципе может достигать ~1 МГц. Показана перспективность использования пачек импульсов для возбуждения ИК переходов иона стронция и найден оптимальный межимпульсный интервал в пачке ~5—10 мкс.

Показана принципиальная возможность ускорения деионизации плазмы в межимпульсный период импульсно-периодического разряда за счет «ускорения» амбиполярной диффузии при небольшом подогреве электронного газа в послесвечении дополнительным импульсом (при низких давлениях буферного газа ~6−8 Тор и малых диаметрах разрядных трубок ~0,4−0,6 см).

15. Проведены комплексные исследования возможности осуществления ка-тафорезного ввода паров металлов в активные среды ЛПМ в условиях продольного импульсно-периодического разряда, а также исследования, направленные на экспериментальную реализацию катафорезных импульсно-периодических Не-Сс1+ и Не-8г+ лазеров. В результате:

Теоретически исследована динамика катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде и показано, что при типичных параметрах возбуждения импульсно-периодических Не-8г+ и Не-СсГ лазеров возможно достижение достаточно однородного распределения паров за счет катафореза. Найдены времена достижения однородного аксиального распределения паров металла за счет катафореза при типичных для импульсно-периодических Не-8г+ и Не-Сё+ лазеров параметрах возбуждения (эти времена имеют достаточно малую величину порядка секунды).

Получены обобщенные критерии, выполнение которых обеспечивает достаточно высокую однородность аксиального и радиального распределений концентрации паров металла при катафорезной прокачке паров. Показано, что для катафорезных импульсно-периодических ЛПМ должны одновременно выполняться критерии аксиальной и радиальной однородности распределения концентрации паров металла и определены границы областей оптимальных параметров возбуждения, обеспечивающих выполнение этих критериев.

Впервые экспериментально реализована прокачка паров кадмия за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси Не-Сё. Впервые при катафорезном вводе паров кадмия получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на зеленых (А.=533,7 и 537,8 нм) и синей (Х=441,6 нм) линиях СсШ. Достигнуты максимальные для этих линий в продольном разряде коэффициенты усиления 30%м" ' (~1 дБ/м) и 3 дБ/м, что свидетельствует о высокой однородности активной среды.

Впервые экспериментально реализована прокачка паров стронция за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси Не-8г высокого давления ~0,3−1 атм. Впервые при катафорезном вводе паров стронция получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на переходе >.=430,5 нм 8г11. Достигнуты максимальные для рекомбинаци-онных лазеров частоты следования импульсов генерации 30−50 кГц. При активном объеме 1,84 см³ получены высокие значения средней мощности генерации 510 мВт, л, а также удельного энергосъема 10,2 мкДж/см и удельной пиковой мощности 46.

Вт/см. Достигнуты рекордные для He-Sr лазеров всех типов удельная средняя мощность 277 мВт/см3 и коэффициент усиления 0,15 см" 1.

В целом, результатом комплексных исследований, обобщенных в диссертации, явилось развитие научного направления рекомбинационных газоразрядных лазеров — найдены новые перспективные активные среды и способы их возбуждения, разработаны теоретические основы для создания эффективных рекомбинационных лазеров на переходах атомов, однои многозарядных ионов и экспериментально обоснованы пути их практической реализации. Таким образом, в диссертационной работе разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в развитии квантовой радиофизики, связанное с созданием новых типов рекомбинационных газоразрядных лазеров, в том числе коротковолнового диапазона.

Благодарности.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему Учителю и научному консультанту, доктору физико-математических наук, профессору Евгению Леонидовичу Латушу, одному из основоположников класса рекомбинационных лазеров, определившему для автора данное направление исследований. Автор отдает себе отчет в том, что полученные в работе результаты являются в той или иной мере итогом коллективных усилий сотрудников кафедры квантовой радиофизики физического факультета Южного федерального университета, и выражает искреннюю признательность всем коллегам, аспирантам и студентам, принимавшим участие в выполнении отдельных этапов работы и в обсуждении ее результатов. Автор также признателен коллегам из Томского государственного университета, Южного Научного центра РАН, НИИ Физической и органической химии ЮФУ за плодотворное сотрудничество.