Кинетика лазерно-активных сред на переходах атомов и ионов с накачкой жестким ионизатором

Актуальность работы. Диссертация посвящена теоретическому исследованию кинетики активных сред плазменных лазеров высокого давления и источников спонтанного излучения на переходах атомов и ионов, накачиваемых жестким ионизатором.

Согласно давно установившейся терминологии, плазменными лазерами (ГШ) называются такие оптические квантовые генераторы, в которых активной средой (АС) служит рекомбинационно-неравновесная (переохлажденная) плазма [1]. Под жестким ионизатором подразумевается такое корпускулярное или электромагнитное излучение, которое преимущественно ионизует и возбуждает газ, но слабо взаимодействует непосредственно с электронами образовавшейся плазмы (соответствующая ситуация имеет место при возбуждении среды электронными и ионными пучками, заряженными продуктами ядерных реакций, электрическими разрядами с жесткой составляющей функции распределения электронов по энергии, а также квантами коротковолнового излучения).

Впервые идея усиления электромагнитного излучения в среде, возбуждаемой, в частности, с помощью внешнего облучения «вспомогательным излучением», по всей видимости, была предложена в 1951 году советскими учеными В. А. Фабрикантом, М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой в заявке на изобретение [2]. Там же говорилось также об использовании примесей, «избирательно разрушающих частицы, находящиеся в нижних энергетических состояниях», и об использовании «явления рекомбинации электронов и ионов для получения частиц на верхних энергетических состояниях» .

Однако основополагающие идеи плазменных лазеров были высказаны Л. И. Гудзенко, Л. А. Шелепиным, С. И. Яковленко [3−8] и в дальнейшем последовательно развивались в ряде теоретических работ, нашедших наиболее полное отражение в обзорах и монографиях [1,9−12]. Сюда, в частности, следует отнести и идею создания «реактора-лазера», т. е. устройства, в котором происходит прямое преобразование кинетической энергии заряженных продуктов ядерных реакций в когерентное излучение.

1,7].

Впервые последовательно принцип плазменного (или как его еще иногда называют рекомбинационно-плазменного) лазера был экспериментально реализован в Ростовском-на-Дону университете М. Ф. Сэмом и Е. Л. Латушем [13,14] на ионных линиях щел очно-земельных элементов 5> и С, а (подробнее см. [15]), а также в 1972 году сотрудниками ВНИИЭФ (Арзамас-16) при ядерной накачке смеси Не-Хе (см. историю развития работ по лазерам с ядерной накачкой (ЛЯН) в [16,17]).

За последние 25 лет запущен целый ряд плазменных лазеров на переходах атомов, ионов и молекул при различных способах возбуждения. Из основных достоинств этих лазеров отметим: 1) длины волн излучения, лежащие от ИК до УФ диапазонов спектра- 2) низкие пороги генерации, позволяющие использовать ядерную накачку от относительно низкопоточных ядерных реакторов- 3) возможность использования больших объемов активной среды, что приводит к получению больших энергосъемов.

Таким образом, к началу данной работы (1985 г.) уже были разработаны и подтверждены экспериментально основные положения теории плазменных лазеров. Однако, общие положения не давали ответа на вопросы, связанные с возможностями и перспективами конкретных активных сред. Основные трудности здесь возникают из-за огромного многообразия процессов, протекающих в плотной низкотемпературной плазме, и очень скудной информации о них.

Повышение точности согласия теоретических выводов и результатов эксперимента требует, конечно, совершенствования не только измерительной техники, но в первую очередь теории. Целью теории считается анализ связей между наблюдаемыми величинами исходя из базисных непротиворечивых утверждений — законов природы. Для наиболее развитой в естествознании науки — физики характерно рассмотрение в первую очередь простейших моделей — идеализированных схем, в каждой из которых проявляется только один или два таких закона. В реальных опытах рост точности всегда связан с отходом от первоначальной идеализации, но как раз в физике это обычно не приводило к отбрасыванию предыдущего описания, а к постепенному улучшению аппроксимации по мере усложнения модели явления.

Положение меняется, когда с самого начала возникает необходимость учета многих разнородных факторов, формирующих исследуемое явление на равных правах (именно такая ситуация зачастую возникает в АС ГШ высокого давления, где присутствует множество компонентов плазмы участвующих в различных плазмохимических реакциях, среди которых порою невозможно заранее выделить наиболее важные).Трудности проявляются тогда уже на этапе выбора простейшей модели, и во всяком случае — при попытке решения ее уравнений. В этом случае адекватное теоретическое рассмотрение становится возможным лишь по мере прогресса быстродействующей вычислительной техники и создания соответствующих способов расчета. Возникает новая психология исследования, приводящая, в частности, к машинному опробованию возможных моделей явления — к так называемому «математическому эксперименту» [18].

Поэтому для дальнейшего развития в данной области, находящейся на стыке лазерной физики и физики низкотемпературной плазмы, пришлось идти по пути построения относительно громоздких подробных нестационарных кинетических моделей АС ПЛ и их численного анализа на основе специально разработанного в ИОФ РАН в 1985 году комплекса программ «ПЛАЗЕР». Создание таких моделей необходимо как для оптимизации уже имеющихся лазеров, так и для поиска новых перспективных лазернои химически-активных сред, а также для разработки новых устройств и технологий на основе рекомбинационно-неравновесной плазмы. Правильность выбранного пути проявилась особенно отчетливо в последние годы, когда проведение экспериментов стало делом весьма дорогостоящим, и теория должна все более проявлять свою предсказательную силу. Именно этим и обусловлена актуальность данной диссертации, основные результаты которой опубликованы в работах [17, 1970].

Цель работы. В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы было теоретическое исследование кинетики процессов в активных средах ряда ГШ и источников спонтанного линейчатого излучения на переходах атомов и ионов в ИК, видимом и УФ диапазонах спектра для определения предельных выходных и пороговых энергетических характеристик, поиск новых перспективных активных сред и оценка перспектив создания мощных лазеров коротковолнового диапазона на переходах многозарядных ионов и атомных ядер.

Конкретная реализация цели работы предполагала решение следующих задач:

1. Построение на основе единого подхода различных подробных нестационарных кинетических моделей активных сред источников вынужденного и спонтанного излучения на смесях инертных газов, инертных газов с молекулярными газами, инертных газов с парами металлов и молекулярными газами, адекватно описывающих основные релаксационные процессы, протекающие в этих средах под действием жесткого ионизатора.

2. Исследование влияния различных плазмохимических реакций (ПХР) на формирование инверсной заселенности, лазерного и спонтанного излучения в активных средах и выяснение причин, ограничивающих выходные характеристики лазеров и ламп.

3. Оптимизация параметров активных сред, резонатора и накачки по выходным характеристикам (мощность излучения, КПД по вложенной энергии) рассматриваемых лазеров и ламп.

4. Определение требований к активным средам и источникам возбуждения коротковолновых лазеров на переходах атомных ядер с плазменной накачкой.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

•Впервые на основе единого подхода построены и проанализированы подробные нестационарные кинетические модели АС ПЛ на смесях He-C.d-ССЦ (Х-325.0- 441.6- 533.7- 537.8 и 1648 нм) — He-Zn (1=491.1- 492.4- 610.3- 747.9 и 758.8 нм) — He-Hg (Х=615.0 нм) — Не-Са (Х=373.7 нм) — He-Xe-Sr-H2 (X =430.5 нм) — Не-Ва (1=490.0 нм) — He-Mg (Х=448.1 и 921.8 нм) — Не-Ве (Х=177.6 и 467.5 нм) — Не-Ые-ССЦ (X I.59 и 2.45 мкм) — Ne-Ar-N2-C0(C02)-H2−02 (X -833.5- 859.4- 862.9- 904.6 и 940.6 нм) — He-Ne-02-N2-H2-(C0,N0) (Х-2.65 и 2.76 мкм) — N2-H2 (Х=26 нм) и активных сред источников линейчатого спонтанного излучения в сине-зеленой области спектра на смесях Xe-Sr (X =400 — 500 нм) и Хе-Ва (Х=410 — 560 нм) с накачкой жестким ионизатором. Рассмотрены механизмы создания инверсной заселенности, а также причины, приводящие к ограничению выходных характеристик на рассмотренных переходах в зависимости от компонентного состава, мощности накачки, температуры и наличия вредных примесей в смеси, проведена оптимизация рабочих параметров рассмотренных источников и изучено влияние отдельных ПХР на диапазоны этих параметров.

•Для лазера на переходах иона SrII (смесь He-Sr) построена более полная, по сравнению с существовавшими ранее, учитывающая принципиально важные для зависимостей выходной мощности от температуры реакции образования молекулярных ионов Л>2 ~ и реакции Иеннинга на собственном атоме для высоковозбужденных состояний иона, модель. Для лазеров на переходах атомов Ne (2=585.3 нм) и Хе (1=1. 73- 2.03- 2.63- 2.65 и 3.51 мкм) также построены новые более подробные кинетические модели для смесей He-Ne-Ar-H2~N2 и He-Ar-Xe-N2 вместо имевшихся ранее (.He-Ne-Ar и Ne-Hj) и (Ar-Хе и Не-Хе). Необходимость в создании новых кинетических моделей была вызвана необходимостью более адекватного и непротиворечащего спектроскопическим исследованиям описания имеющихся и новых экспериментальных данных на основе единого подхода. В результате удалось определить предельные возможности пеннинговского плазменного лазера на неоне, разобраться с механизмами генерации, влиянием состава и температуры среды в Ле-лазере.

•На основе сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными удалось впервые определить или существенно уточнить константы скоростей ряда важных для рассмотренных активных сред ПХР.

•Сформулированы требования к накачивающим и излучающим ядерным переходам изомерных ядер, на которых, в принципе, было бы возможно получение генерации при накачке ядер излучением лазерной плазмы.

Автор выносит на защиту созданные на основе единого подхода подробные нестационарные кинетические модели активных сред плазменных лазеров, накачиваемых жестким ионизатором, на смесях He-Cd-ССЦ (Л =325.0- 441.6- 533.7- 537.8 и 1648 нм) — He-Zn (.1=491.1- 492.4- 610.3- 747.9 и 758.8 нм) — He-Hg (1=615.0 нм) — Не-Са (/.=373.7 нм) — He-Xe-Sr-H2 (1=430.5 нм) — Не-Ва (1=490.0 нм) — He-Mg (1=448.1 и 921.8 нм) — Не-Ве (1=177.6 и 467.5 нм) — He-Ne-Ar-H2-N2(1=585.3 нм) — He-Ne-ССЦ (1=1.59 и 2.45 мкм) — Ne-Ar-N2-C0(C02)-H2−02 (1=833.5- 859.4- 862.9- 904.6 и 940.6 нм) — He-Ne-C>2-N2-H2-(CO, NO) (Л=2.65 и 2.76мк.х1)-Не-Аг-Хе-М2(Л=1.73−2.03−2.63−2.65−3.37и-М2-Н2(1=26 нм) и активных сред источников линейчатого спонтанного излучения в сине-зеленой области спектра на смесяхХе-8г (А=400 — 500 нм) и Хе-Ва (Х=410 — 560 нм) с ядерной накачкойа также результаты теоретического анализа и численной оптимизации рассмотренных активных сред.

Основные конкретные результаты, представляемые к защите, можно сформулировать следующим образом.

1. Установлены конкретные кинетические механизмы влияния мощности накачки, температуры и давления активной среды на выходные генерационные характеристики плазменных лазеров высокого давления в смесях инертных газов с парами металлов II группы таблицы Менделеева с накачкой жестким ионизатором. В число названных механизмов входят: реакции конверсии атомарных ионов в молекулярные ионы, реакции Пеннинга на собственном атоме, неупругие соударения с электронами и атомами буферного газа, а также паразитное поглощение рабочего излучения на атомарных переходах.

2. Предложены активные среды для создания эффективных источников спонтанного линейчатого излучения в сине-зеленой области спектра. Высокая эффективность обусловлена повышением квантового и кинетического КПД за счет использования большого числа близких по спектру атомных и ионных линий.

3. Установлены разнообразные кинетические механизмы создания инверсии, а также влияния компонентного состава смесей, температуры, давления и мощности накачки на выходные генерационные характеристики в широком диапазоне изменения параметров активных сред в низкопороговых лазерах с накачкой жестким ионизатором на переходах атомов углерода, азота, кислорода, хлора, неона и ксенона. Показана определяющая роль различных процессов (тройная рекомбинация, диссоциативная рекомбинация, неупругие столкновения с электронами и буферным газом, реакции Пеннинга) в создании инверсии и повышении эффективности генерации в зависимости от компонентного состава смеси.

4. Показано, что введение водорода в активную среду приводит к эффективному охлаждению электронов и возможности получения мощной генерации на переходах многозарядных ионов в рекомбинационно-неравновесной плазме лазеров со столкновительной очисткой нижних рабочих уровней.

5. Определены требования к лазерно-активным и накачивающим средам лазеров на ядерных переходах с возбуждением тормозным и фоторекомбинационным излучением лазерной плазмы. Получено выражение, связывающее между собой параметры плазмы лазерно-активного и накачивающего элементов с длинами волн (энергиями) накачивающих и рабочих ядерных переходов для случая возбуждения излучением высокотемпературной лазерной плазмы.

6. Подвергся существенному уточнению целый ряд констант скоростей плазмохимических реакций принципиально важных для рассмотренных лазерно-активных сред.

Детальный перечень полученных результатов приведен в Заключении.

С научно-практической точки зрения работа является необходимым этапом исследования плазменных лазеров высокого давления с накачкой жестким ионизатором. Полученные результаты позволили выделить основные плазмохимические процессы, ответственные за формирование инверсной заселенности и определить области рабочих параметров и предельные возможности рассмотренных активных сред.

•Результаты работы использовались при запуске первых Не-С 'д. и Не-2п лазеров с накачкой электронным пучком, а также первого Ме-Н2 лазера с накачкой в разряде со спиральным полым катодом.

•Полученные результаты могут быть использованы для постановки экспериментальных работ по улучшению характеристик существующих лазеров, созданию УФ лазера с ядерной накачкой на смеси Не-С&ССЦ и источников спонтанного линейчатого излучения в сине-зеленой области спектра, а также лазера с длиной волны, принадлежащей промежуточной области между ВУФ и мягким рентгеновским диапазонамицеленаправленному поиску новых перспективных газообразных лазерно-активных сред и наиболее подходящих для получения лазерной генерации ядер изомеров.

•Предложен, теоретически исследован и экспериментально обоснован новый способ ионного азотирования в разряде с жесткой составляющей функции распределения электронов по энергии. Контрольное азотирование стали показало возможность достижения параметров микротвердости до 700 кГс/мм2 с глубиной азотированного слоя до 300 мкм при общем воздействии плазмой в течение 3−5 минут. Аналогичиные параметры азотирования в тлеющем разряде достигаются в течение нескольких часов. Сравнительный анализ параметров азотированных образцов с результатами других технологий азотирования показал, что пучковый ПХР объединяет преимущества известных способов азотирования: в тлеющем разряде, термического диффузионного и ионной имплантации.

Личный вклад автора:

— выбор направлений исследований в рамках общего направления- -постановка конкретных задач- -построение кинетических моделей- -численное моделирование активных сред- -анализ результатов численного моделирования;

— интерпретация экспериментальных данных на основе развитых теоретических моделей.

На различных этапах исследований в обсуждении результатов и постановки некоторых конкретных задач принимали участие С. И. Яковленко, В. И. Держиев, А. Г. Жидков, В. Ф. Тарасенко и А. М. Янчарина. На начальном этапе работы особенно сильное влияние на выбор общего направления исследований оказал С. И. Яковленко. В разработке некоторых кинетических моделей, создании программного обеспечения, проведении расчетов и обсуждении результатов принимали участие A.M. Бойченко, О. В. Середа,.

О.В. Симакова и Р. В. Широков.

Все исследования, определившие защищаемые положения, выполнены лично автором или под его непосредственным руководством.

Апробация результатов работы. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на V и VI Всесоюзных конференциях «Оптика лазеров» (г.Ленинград, 1987 и 1991 г. г.), XIII, XIV и XV Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике КиНО-91, КиНО-95 и КиНО-98 (г.Ленинград, 1991, г. Санкг-Петербург, 1995 и г. Москва, 1998) — I, II и III Международных конференциях «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» ИЛПАМ-92, ИЛПАМ-95 и ИЛПАМ-97 (г. Томск, 1992, 1995, 1997) — Г и II Международных конференциях «Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой» ЛЯН-92 и ЛЯН-94 (г.Обнинск, 1992 и г. Арзамас-16, 1994), IV Национальной конференции с международным участием по оптике и лазерной технологии «OPTICS'89» (г.Варна, 1989), Международных конференциях «Lasers'89», «Lasers'92», «Lasers'96» (г.Нью-Орлеан, 1989, г. Солт Лейк Сити, 1992 и г. Портлэнд, 1996), Всесоюзных семинарах «Лазеры на парах металлов и их применение» (г.Ростов-на-Дону, 1989, 1991, 1993), Всесоюзном семинаре «Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров» (г.Лохусалу, 1989), Межотраслевых семинарах по лазерам с ядерной накачкой (г.Челябинск-70, 1989, г. Арзамас-16, 1990, 1993), Рабочем совещании «Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров» (г.Гродно, 1987), на семинарах.

ИОФРАН, ФИАН, ИСЭ СО РАН, МГУ, РГУ, ЦНИИМаш- < ~ тикованы в 47 печатных работах в рецензируемых журналах и сборниках, общий список публикаций включает свыше 80 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Полный объем составляет 390 страниц, включая 127 рисунков, 8 таблиц, приложение со списком ПХР на 84 страницах и список литературы, насчитывающий 251 наименование.

Выводы к главе 4.

1. В данной главе построены подробные нестационарные кинетические модели лазеров с ядерной накачкой на атомарных переходах атомов хлора (А.=1.59 и 2.45 мкм) в смеси Не-№-СС14, углерода (>.=940.6 нм и 833.5 нм) и азота (>1=904.6 нм, 859.4 нм, 862.9 нм) в смеси Ке-Аг-К2-С0(С02)-Н2−02, а также кислорода (А,=2.65 мкм и 2.76 мкм) в смесях Не-Ые (Не, Ке)-02~К2-Н2 и Не-Ме (Не, Ые)-02-Н2-Н2-Ш (С0).

2. На основе численного моделирования установлено, что основные механизмы накачки верхних рабочих уровней зависят от начальной концентрации лазерно-активной компоненты (СС1^) и мощности накачки. В оптимальных условиях генерации (рсс14 30 мТорр) основным механизмом накачки является диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов хлора, образующихся в результате сложной цепи плазмохимических реакцийпри малых концентрациях четыреххлористого углерода (менее 7 мТорр) — тройная рекомбинации атомарных ионов хлора, а при больших (свыше 100 мТорр) диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов СС12+ При малых вблизи порога) мощностях накачки на передний план выходит ион-ионная рекомбинация молекулярных ионов СС12+ с отрицательными ионами хлора.

При этом, во всех случаях, очистка нижних рабочих уровней — радиационная и столкновительная с участием атомов буферного газа.

3. На основе численного моделирования установлено, что основными механизмами накачки верхних рабочих уровней атомов углерода и азота в смеси №-СО-Ы2 является тройная рекомбинация атомарных ионов С+ и с электронами. При добавлении в смесь аргона основным каналом накачки углерода становится диссоциативная рекомбинация иона АгС. Очистка нижних рабочих уровней — радиационная.

6. На основе численного моделирования установлено, что основными механизмами накачки верхних рабочих уровней атома кислорода в смеси Не.

Ые-02-К2-Н2-М)(С0) является тройная рекомбинация атомарных ионов 0+ с электронами. В смеси Не-02²-Н2−1МО (СО) в накачке в.р.у также участвует процесс передачи возбуждения с диссоциацией от метастабильных атомов гелия кислороду, вклад которого в накачку в.р.у при оптимальном давлении кислорода составляет около 20%. Очистка нижних рабочих уровней — радиационная.

5. Оптимальные характеристики генерации по всем рассмотренным данной главе смесям суммированы в Заключении.