Возбуждение эксимернго KrF -лазера оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения.
В настоящее время экеимерные лазеры (ЭЛ) являются мощными и эффективными источниками когерентного излучения в УФ области спектра. Для их возбуждения широко применяются пучки электронов высокой энергии и электрический разряд. При этом КПД по вложенной энергии многих ЭЛ достигает 10 %. Известны эксперименты по эффективному возбуждению ЭЛ СВЧ разрядом в поле импульсного СВЧ излучения в сходящихся конусообразных волноводах [1]. В связи с этим представляет несомненный интерес возможность возбуждения лазеров на эксимерах (например, KrF, ArF и др.) мощным ИК лазерным излучением, когда в средах этих лазеров развивается оптический разряд. Эффективными источниками ИК лазерного излучения являются импульсные химические лазеры на цепной реакции водорода со фтором. В результате ранее проведенных нами исследований была показана возможность создания чисто химических HF- и DF - СО2-лазеров на так называемой фотонно-разветвленной реакции. На их основе возможно создание многокаскадных систем химических лазеров, где импульс выходного излучения каждого предыдущего лазера инициирует работу последующего, излучающего импульс с энергией, большей в 10-20 раз [2]. Таким образом, для трехкаскадной системы выходная энергия ИК лазерного излучения будет превышать энергию входного импульса в 103 - 104 раз. Если конечным каскадом служит ЭЛ, возбуждаемый оптическим разрядом в поле ИК излучения импульсного химического лазера с КПД ~ 10 %, то возможно получение импульса УФ лазерного излучения с энергией, в 102 - 103 раз превышающей затраченную на инициирование химического трехкаскадного лазера. В настоящей работе исследуется среда KrF-лазера, в которой оптический разряд возникает под действием ИК лазерного излучения. Рассматривается возможность эффективного возбуждения лазера на смеси F2-Kr-He импульсами излучения с длиной волны 10,6 и ~3 мкм длительностью 20-150 не и исследуется прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения через среду ЭЛ. Рассмотрим среду KrF-лазера (смесь F2-Kr-Не), на которую действует импульс ИК лазерного излучения с интенсивностью в максимуме /тах, при которой возможно развитие в данной среде оптического разряда и обеспечивается наработка достаточной концентрации электронов ( Ne ~ 1016 см~3). Первичные "затравочные" электроны в среде ЭЛ могут возникать при испарении в поле ИК излучения ультрадисперсных частиц, почти всегда находящихся в газах, из которых приготовляют лазерную смесь. Эти частицы веществ, не реагирующих со фтором, имеют размеры 0,01-0,1 мкм и концентрацию и~ 106 см~3. Если такие частицы отсутствуют в смеси ЭЛ, их туда следует инжектировать с концентрацией, не меньшей 105 см~3. Итак, частицы с размерами менее 0,1 мкм будут испаряться под действием ИК лазерного излучения с соответствующей интенсивностью за времена, много меньшие длительности возбуждающего импульса. При этом образуются свободные термоэлектроны, переходящие в газовую среду вместе с нейтральными атомами и ионами. "Микропробои" в парах вещества частиц также сопровождаются образованием свободных электронов в лазерной смеси. Возникающие свободные электроны будут быстро набирать энергию в поле ИК излучения, вызывая в ходе их диффузии в лазерную среду ионизацию атомов и молекул с образованием новых электронов. При этом вследствие быстрого набора энергии электронами сравнительно малое их количество будет захватываться молекулами фтора в реакции F2 + e-»F~ + F [3]. Сечение этого процесса падает при энергиях электронов свыше 0,3 эВ [4], электроны же в ходе развития электронной лавины в среде ЭЛ будут иметь среднюю энергию е^З эВ, если скорость их диссоциативного прилипания к молекулам фтора меньше скорости ионизации компонентов смеси. Таким образом, в поле ИК лазерного излучения соответствующей интенсивности электроны диффундируют в лазерную среду, не уменьшаясь в количестве. При этом коэффициент диффузии электронов с е^З эВ составляет Z)<?~3-103 см2/с в смесях с давлением р~\ атм. Время диффузионного смешения электронов т^« R 2 / l 6 De ( R - среднее расстояние между ультрадисперсными частицами) при и~ 106 см~3 составит 2 не. Итак, в поле возбуждающего ИК излучения соответствующей интенсивности в среде KrF-лазера за время порядка нескольких наносекунд возникает практически однородная концентрация первичных свободных электронов. Далее под действием излучения с подходящей пиковой интенсивностью /тах в среде развивается электронная лавина и концентрация электронов быстро возрастает, достигая максимума спустя некоторое время после пика возбуждающего импульса. Затем по мере спадания интенсивности ИК лазерного излучения концентрация электронов может уменьшаться из-за их диссоциативного прилипания к молекулам фтора. Таким образом, импульс ИК лазерного излучения с соответствующей максимальной интенсивностью /тах может обеспечивать в среде ЭЛ как предионизацию за счет испарения ультрадисперсных частиц, так и наработку необходимой для возбуждения ЭЛ концентрации свободных электронов. В рассматриваемом случае будет происходить возбуждение ЭЛ оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения. При этом оптимальная для возбуждения ЭЛ концентрация электронов (1015-1016 см~3) будет нарабатываться при соответствующей оптимальной интенсивности возбуждающего излучения в максимуме. Вследствие ослабления ИК лазерного излучения электронами с указанной концентрацией необходима фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с подходящим фокусным расстоянием . Как показывают дальнейшие расчеты, это может обеспечить наработку практически постоянной максимальной концентрации электронов на достаточно большой длине в среде KrF-лазера. При действии возбуждающего ИК излучения с максимальной интенсивностью, превышающей оптимальную, на входе в среду ЭЛ может развиваться оптический пробой, при котором концентрация электронов достигает значений Ne ~ 1018 см~3. Но при таких больших Ne ИК лазерное излучение будет заметно ослабевать по мере его дальнейшего про-хрождения в среду ЭЛ. При этом вследствие очень сильной зависимости порога пробоя от интенсивности излучения пробой не возникает уже на сравнительно небольшом (~ 1 см) расстоянии от входа возбуждающего импульса в лазерную среду. Соответственно и концентрация электронов будет резко падать с расстоянием до значений, при которых возможно прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения в среду ЭЛ. При фокусировке пучка ИК излучения в лазерной среде будет обеспечиваться наработка практически постоянной концентрации электронов, зависящей от фокусного расстояния при котором ослабление ИК излучения будет компенсироваться соответствующим сжиманием пучка из-за его фокусировки. Например, как показывают расчеты, для импульса излучения длительностью ~ 10 не с длиной волны 10,6 мкм, действующего на среду KrF-лазера (р к, 2 атм), практически постоянная максимальная концентрация образующихся электронов Ne ж 1016 см~3 обеспечивается на достаточно большой длине (~1 м) при /«3,5 м. Для наработки же электронов с Ne ж 1015 см~3 требуется фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с фокусным расстоянием/» 20 м. Таким образом, для обеспечения наработки в среде ЭЛ необходимой концентрации электронов Ne на большой длине достаточно сфокусировать входное ИК лазерное излучение оптической системой с соответствующим фокусным расстоянием однозначно определяющим значение Ne , которое практически не зависит от интенсивности /тах на входе в лазерную среду. Нами было проведено численное моделирование процессов в среде KrF-лазера при действии на нее ИК лазерного излучения с длинами волн 2,8 и 10,6 мкм. С этой целью совместно решались уравнения для температуры и концентрации свободных электронов в поле ИК излучения, уравнения химической кинетики для концентраций F2, Кг , Не , Кг + , Kr+2, F~, KrF и скоростное уравнение генератора где /г - интенсивность излучения KrF-лазера внутри резонатора; g - коэффициент усиления; а - коэффициент фотопоглощения в лазерной среде; g , - порог резонатора; Vs - член, учитывающий спонтанное излучение молекул KrF. При исследовании распространения возбуждающего импульса ИК излучения в среде ЭЛ численно решалось также уравнение переноса излучения c~ W/8r + 8//8х = 21/( f - х) - ц/, ЦВт/см2 где / - интенсивность ИК излучения; х - расстояние от фокусирующей системы вдоль направления распространения ИК излучения; ц - коэффициент ослабления возбуждающего излучения свободными электронами в среде KrF-лазера. В расчетах учитывались следующие процессы -[5]: диссоциативное прилипание электронов к молекулам фтора - F2 + e ^ f-+ F ; диссоциация молекул F2 электронным ударом - F2 + е ->• 2F + е ; возбуждение атомов электронным ударом - Не + е -» Не* + е, Кг + е -» Кг* + е; ионизация из основного и возбужденного состояний Кг + е -> Кг+ + 2е, Кг* + е -> Кг+ + 2е, Не + е -> Не+ + 2е, Не* + е -> Не+ + 2е; образование ионов Кг2 - Кг+ + Кг + Не -> Кг2+ + Не; диссоциативная рекомбинация - Кг2+ + е -» Кг* + Кг; пеннинговская ионизация - Не* + Кг -> Не + Кг+ + е, Не* + Кг + Не -> -> Кг+ + 2Не + е, Кг* + Кг* -> Кг+ + Кг + е; тушение возбужденных атомов Кг -Кг* + е -> Кг + е; образование возбужденных молекул KrF -Кг* + F2 -> KrF* + F, Kr+ + F~ + He -> KrF* + He, а также гибель молекул KrF в реакциях KrF*+ F2 -> Кг + 3F, KrF*+ Кг + He ^ 2Kr + F + He, KrF + 2He -> Kr 2He, Зависимость от времени интенсивности возбуждающего лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм на входе в среду р2 - Кг - Не (1) и после прохождения в этой среде 50 см (2) при фокусировке ИК излучения оптической системой с фокусным расстоянием 3,5 м. сам с максимумом при (рисунок): tm = tf /5 = 4 30 не при Ш = [/maxW«/0/ - Поскольку в исследуемых смесях KrF-лазера концентрация гелия намного превышает концентрацию других компонентов, коэффициент поглощения ц(е) ИК излучения свободными электронами в лазерной среде при е < 5 эВ полагался [3] равным (8/3)ц0(2е/Зл:81)1'/2, где ц0 - коэффициент поглощения ИК излучения в Не при больших энергиях электронов [6], ei = 6 эВ. Конкретные численные расчеты были проведены нами для смесей KrF-лазера, типичных для Таблица 1 KrF -> Кг + F + hv , KrF + е -> Кг + F + е. Константы скоростей указанных процессов, зависящие от электронной температуры, брались из [5,6]. Константа скорости диссоциативного прилипания электронов к F2 (в см3/с) апроксимирова-лась на основе данных [4] выражением 2,6-1 (Г9 х хехр(-0,08/Ге)/Те, где Те - температура электронов в электронвольтах. Для диссоциации молекул фтора электронным ударом константа скорости полагалась равной 2-1 (Г9 см3/с. Возбуждающий импульс ИК лазерного излучения длительностью г,- = 20 150 не брался в расчетах близким по форме к экспериментально наблюдаемым лазерным импуль- Примечание: tp - время достижения максимума импульса генерации KrF-лазера; Р/ - удельная мощность генерируемого излучения; е/ - удельный лазерный энергосьем KrF-лазера, возбуждаемого оптическим разрядом. Экспериментальных условий [5]: F2:Kr:He = = 3:75:1500 (смесь 1) и 4:200:1500 мм рт.ст. (смесь 2). Полагалось, что к моменту t = 1 не после начала действия возбуждающего импульса ИК излучения концентрация электронов, возникающих при испарении ультрадисперсных частиц в среде KrF-лазера, достигает Ne = 109 см~3. При этом расчеты, выполненные при Ne ( t = 1 не) = 107 - 1010 см~3, приводят практически к тем же результатам. Вначале нами были исследованы характеристики плазмы оптического разряда в указанных средах на входе ИК излучения в смесь KrF-лазера (х = 0) при различных /тах и ?,-. Результаты расчетов для импульса ИК лазерного излучения длительностью tj = 20 не представлены в табл. 1. Видно, что необходимая для образования требуемой концентрации электронов Ne х 1015 - 1016 см~3 интенсивность ИК излучения в максимуме ( t = 4 не) должна составлять ~ 1,7 ГВт/см2 для СО2-лазера и ~ 24 ГВт/см2 для HF-лазера. При этом электронная температура достигает наибольших значений T'max = Te ( t = 4 не) х 3 — 3,5 эВ, а максимальная концентрация электронов JVmax нарабатывается к моменту гтах «15- 17 не, когда Те снижается до 1,4 - 1,6 эВ. В дальнейшем концентрация электронов убывает, в основном из-за их диссоциативного захвата молекулами фтора. Нами также были проведены модельные расчеты генерационных характеристик KrF-лазера, возбуждаемого при развитии оптического разряда под действием импульса ИК лазерного излучения. При этом предполагалось, что возбуждение происходит однородно по всей длине активной среды, что возможно при фокусировке ИК излучения цилиндрической линзой, расположенной вдоль лазерной кюветы с небольшими поперечными размерами. В расчетах коэффициент усиления g для простоты полагался равным < JoNa , где go = 2-10~16см2-сечение индуцированного излучения, Na - концентрация молекул KrF . Учитывалось фотопоглощение генерируемого излучения молекулами F2, ионами F" и возбужденными атомами Кг . Порог резонатора полагался равным 10~2 см"1. Результаты расчетов в случае возбуждения импульсами излучения СО2-лазера длительностью t / = 20 не с различными /тах представлены в табл.2. Во всех вариантах длительность генерируемого импульса на полувысоте составляла 5-6 не. При некотором оптимальном значении /тах для каждой смеси достигается наибольший удельный энергосьем KrF-лазера (примерно 12 Дж/л при /тах = 1,93 ГВт/см2 для смеси 1 и ~26 Дж/л при /тах = 1,77 ГВт/см2 для смеси 2). При дальнейшем увеличении максимальной интенсивности возбуждающего ИК излучения происходит резкое снижение г/. Это объясняется возникновением очень большой (свыше 1017 см~3) концентрации электронов, при которой происходит почти полное исчезновение F2, так что становится невозможным дальнейшее возрастание концентрации KrF . Из-за отсутствия F2 концентрация электронов после окончания действия возбуждающего импульса практически не падает, вызывая быстрое тушение возбужденных молекул KrF , что ведет к существенному снижению энергии генерации KrF-лазера. Как следует из табл.2, использование смеси 2 позволяет достигать удельных лазерных энергосъе-мов, более чем вдвое превышающих е/ для смеси 1. В табл.3 приведены результаты численного исследования KrF-лазера, возбуждаемого оптическим разрядом (смесь 2) при различных длительностях импульса ИК лазерного излучения в условиях, когда концентрация электронов достигает приблизительно одинакового значения JVmax х 1016 см~3. Видно, что при увеличении г, в 3 - 7 раз необходимая для наработки данной концентрации электронов интенсивность возбуждающего импульса в максимуме снижается соответственно в 2 - 3 раза. При этом удельный энергосъём KrF-лазера увеличивается с 5 до 15-25 Дж/л, что в первую очередь обусловлено ростом энергии возбуждающего импульса с t /. Нами было исследовано распространение импульса ИК лазерного излучения в среде F2 - Кг - Не путем численного решения уравнения переноса ИК излучения с учетом поглощения электронами плазмы оптического разряда. Учитывалась также фокусировка ИК излучения оптической системой с фокусным расстоянием / (уравнение (1)). Это необходимо прежде всего для изучения возможности возбуждения KrF-лазера оптическим разрядом в достаточно больших объемах и определения удельной энергии ИК излучения, затраченной на возбуждение. В табл.4 представлены результаты расчетов для импульса СС>2-лазера с длительностью t / = 20 не и Лпах = U7 ГВт/см2 при различных значениях / (смесь 2). Полагалось, что фокусирующая система расположена у входа в среду KrF-лазера (х в уравнении (1) равно расстоянию, пройденному ИК излучением в лазерной смеси). Расчеты показывают, что для каждого / начиная с расстояния х^ x //20, в среде ЭЛ будет возникать определенная максимальная концентрация электронов, практически не изменяющаяся далее с расстоянием х. Это хорошо видно из табл.4, где приведены значения JVmax и rmax для Xi и X 2 xf / I 0. При этом временная форма возбуждающего импульса по мере прохождения среды KrF-лазера претерпевает изменения - интенсивность в максимуме растет, а длительность на полувысоте уменьшается (см. рисунок). Таким образом, задавая определенное значение / можно обеспечить в лазерной среде на большой длине наработку почти неизменной концентрации электронов, соответствующей выбранному /. Например, наработка электронов с JVmax х 1016 см~3 на длине / х 1 -2м обеспечивается при фокусировке рассматриваемого импульса ИК излучения с Х = 10,6 мкм оптической системой с фокусным расстоянием/» 3,5 м. При этом /тах на входе в лазерную смесь может изменяться в некоторых пределах - всё равно нарабатываемая концентрация электронов, начиная с некоторого расстояния х, при заданном / будет одинаковой. Это подтверждают, в частности, расчеты, проведенные при неизменных /=3,5 м и ЛпахС* = 0) = 1,4 - 1,8 ГВт/см2, которые показывают, что в этом случае, начиная соответственно с расстояний х х 40 - 10 см, в среде KrF-лазера будет нарабатываться концентрация электронов с одним и тем же значением JVmax х 1016 см~3. Эффективность возбуждения KrF-лазера оптическим разрядом г| = 8//е/, где е, - энергия ИК лазерного излучения, вложенная в единицу объема активной среды. Если длина / генерирующей среды ЭЛ существенно меньше / то е, х Р//1, где Р/ = I ( i ( t ) dt , /о - интенсивность ИК излучения на входе в лазерную смесь. Как показывают проведенные выше расчеты, для импульса излучения СО2-лазера длительностью 20 не при fx 3,5 м и /тах(0) х 1,7 ГВт/см2 обеспечивается наработка практически постоянной концентрации электронов с Л^тах ~ Ю16 см~3 в среде KrF-лазера (смесь 2) на длине /~1 м. В этом случае Р,<х 10 Дж/см2 и е, «100 Дж/л. Ранее было найдено, что при Л^тах ~ Ю16 см"3 в исследуемом варианте удельный лазерный энергосъем е/ х 5 Дж/л. Таким образом, эффективность возбуждения ЭЛ лазерным ИК излучением составляет ц ~ 5 %. При уменьшении / увеличиваются JVmax и г/, но вследствие пропорционального уменьшения длины генерируемого объема / эффективность ц практически не изменяется вплоть до JVmax х 1017см~3. Например, для /= 1 м JVmax увеличится до 4-1016см~3 (табл.4), а удельный энергосъем KrF-лазера е/ возрастет до ~ 15 Дж/л, однако / в соответствии с уменьшением / также уменьшится в 3 раза. Итак, в настоящей работе показана возможность эффективного возбуждения KrF-ЭЛ оптическим разрядом, возникающим в лазерной среде под действием импульса ИК излучения с А, х 3 и 10,6 мкм. Для рассмотренных смесей F2 - Кг - Не с давлением 2 атм пиковая интенсивность возбуждающего импульса длительностью 150 - 20 не на входе в лазерную среду, как показывают расчеты, должна составлять соответственно 8-25 ГВт/см2 для Х= 2,8 мкм и 0,5 - 1,7 ГВт/см2 для А, = 10,6 мкм. При этом необходима фокусировка возбуждающего ИК лазерного излучения оптической системой с фокусным расстоянием f ~\ - 30 м. Это обеспечивает, начиная с некоторого расстояния в среде F2 -Кг - Не, наработку практически постоянной требуемой концентрации электронов, определяемой значением / и возможность однородного возбуждения KrF-лазера оптическим разрядом на длине / х 0,3 - 10 м.
Популярное: Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (190)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |