CC BY
8
УДК 621.373.826
О ПРИРОДЕ ПАРАЗИТНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ В Сс1-ЛАЗЕРЕ (А = 325,0 нм)
А. В. Карелин, Р. В. Широков
\
Построена кинетическая модель лазера на смеси Не-Сд-СС14 с накачкой жестким ионизатором. Изучены механизмы влияния добавки СС14 на развитие релаксационные процессов в Не-Сс1-СС^-плазме и на получение генерации на переходе 4с^5з2 2£)3/2 4</105р2иона кадмия с длиной волны 325,0 нм. Показано, что мощное паразитное поглощение в среде на данной длине волны обусловлено высокой концентрацией метастабильных атомов Сд*(Ьрг Рг).
Среди лазеров на парах металлов II группы с накачкой жестким ионизатором гелий-кадмиевый лазер представляет Наибольший интерес, поскольку обладает наименьшим порогом генерации и наибольшим КПД в сочетании с достаточно короткими длинами волн генерации (А = 325,0; 441,6; 533,7 и 537,8 нм на переходах иона кадмия) [1]. Кроме того, в нем привлекает внимание принципиальная возможность создания достаточно эффективного лазера с ядерной накачкой на переходе с длиной волны, лежащей в УФ области спектра (А = 325,0 нм).
В данной работе нас интересует, в основном, возможность получения квазистационарной генерации в условиях ядерной накачки на переходе 4^95522£)3/2 —* \дюЬр2 Р\/2 в ионе кадмия с длиной волны 325,0 нм. Ранее на основании результатов численного моделирования [1, 2] отмечалось, что пороговая плотность потока нейтронов для него составляет яз 2 • 1016 см"2 • с-1 при давлении Не-С¿-смеси 2-3 атм и температуре 360-400°С, а максимальный КПД лазера не может превышать 0,2%. Высокий порог генерации и относительно низкий КПД были обусловлены девозбуждением верхнего рабочего уровня буферным газом гелием и мощным паразитным поглощением рабочего
излучения, величины которых были оценены на основе сравнения результатов теоретического моделирования с экспериментами по электронно-пучковой накачке [2 4]. Однако природа этого паразитного поглощения определена не была. Далее, в работе [5], было сделано предположение, что паразитное поглощение на этом переходе может быть обусловлено атомами кадмия на переходе с А = 325,25 нм. После этого в [1] было показано, что сечение поглощения на этом переходе и заселенность поглощающих состояний могут достигать значительной величины.
Появление новых экспериментальных результатов [6-8], где была получена генерация на переходе с А = 325,0 нм при накачке пучком электронов длительностью около 45 мкс, моделирующим передний фронт реакторного импульса в условиях ядерной накачки, заставило нас вернуться к некоторому пересмотру и уточнению созданной ранее кинетической модели He-Cd лазера [1 - 4], особенно в части, касающейся паразитного поглощения. Основанием для этого послужило то обстоятельство, что, как отмечается в [6, 7], срыв генерации на переходе с А = 325,0 нм в смеси He-Cd происходит во время действия пучка. При добавлении же в смесь 1 mopp СС14 срыв генерации отсутствует и импульс лазерного излучения заканчивается одновременно с окончанием импульса накачки [8]. Таким образом, было продемонстрировано улучшение генерационных характеристик лазера при введении в активную среду примеси СС14.
В связи с этим в данной работе проводится теоретическое исследование влияния паразитного поглощения и примеси CCI4 на развитие плазменных процессов в He-Cd-смеси и обсуждение конкретных механизмов этого влияния.
При описании кинетики He-Cd-плазмы учитывалось свыше 30 компонент, в том числе 3 возбужденных состояния атома кадмия и 17 возбужденных состояний иона кадмия. На рис. 1 изображена упрощенная схема плазмохимических реакций, учитываемых в модели. В основу была положена кинетическая модель He-Cd лазера, развитая нами ранее [1 - 4]. Отличительной особенностью является, кроме всего прочего, более детальное рассмотрение релаксационного потока через возбужденные уровни атома кадмия 5s5p3-P2,i,o и учет паразитного поглощения излучения с А = 325,0 нм атомами кадмия на переходе 5р3Рг —► 7s3Sx (325,25 мл«) с сечением 2,1 • Ю-1' см2. Для описания влияния примеси CCI4 на кинетику активной среды в модель дополнительно введено 18 компонент производных от CCI4. Полное число плазмохимических реакций, с учетом поуровневой кинетики, достигает 300. В расчетах использовался комплекс программ "ПЛАЗЕР" [2].
Описание экспериментальной установки и полученные с ее помощью результаты ис-
Рис. 1. Схема плазмохимических реакций в смеси Не-Сй-СС^.
Рис. 2. Импульсы накачки пучком электронов (1) и генерации (Л = 325,0 нм) в Не-Св. смеси при Тд = 375°С, [Не] = 2,7 • 1019 см~3, г = 99,5%: эксперимент (2) и теория (3).
следования Не-Св. лазера с длиной волны 325,0 нм приведены в [6, 7]. Моделирование плазмохимических процессов, происходящих в Не-Св-смеси под действием слаботочно-
го электронного пучка, дало следующие результаты. На рис. 2 показаны экспериментальный и теоретический импульсы излучения с Л = 325,0 нм. Поведение мощности генерации характеризуется спадом во время действия импульса накачки. В [7] такое поведение объясняется снижением скорости заселения верхнего лазерного уровня. Конкретный механизм при этом не обсуждается. Мы полагаем, что ограничение длительности импульса объясняется влиянием паразитного поглощения рабочего излучения атомами кадмия в возбужденном состоянии 5з5р3Р2- Накопление этих метастабильных состояний атома кадмия происходит в основном путем диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов кадмия С¿2 . В момент, когда мощность генерации достигает максимума (I = Ю мкс), концентрация метастабильных атомов С<1*{ЬрлР2) составляет 3- 10й см' и продолжает расти во времени. Этого хватает, чтобы, несмотря на нарастание накачки и величины инверсной заселенности рабочих уровней, генерируемое средой излучение эффективно поглощалось.
Р, отн. ед.
1.МКС
Рис. 3. Импульс генерации (325,0 нм) в Не-С<1-СС14 смеси при Тд = 375"С, [Не] = 2,7 ж 1019 см-3,[СС14] = 3,6 • 1016 см'3, г = 99,5%: 1 - эксперимент, 2 - теория.
Сравнение результатов эксперимента [8] и теоретических расчетов для Не-Сс1 лазера с добавлением примеси СС/4 представлено на рис. 3. При добавлении С С и наблюдается большее запаздывание импульса генерации, чем в отсутствие примеси. Это объясняет ся перехватом релаксационного потока с ионов Не+, Не2 и атомов Не" на молекулы примеси С Си и ее компоненты. Отмечается также некоторое запаздывание расчетного импульса генерации относительно экспериментального, которое может быть объяснено
несколько завышенными коэффициентами скоростей реакции Пеннинга
Не* + СС14 Не + СС\\ + С12 + е (кП = 1- Ю"10 см3/с)
и реакции перезарядки
Яе+ + СС14 -> 2Не + СС/+ + С12 (кпер = 5 • 10"11 см3/с).
Появление квазистационарной генерации при добавлении С С74 обусловлено, в первую очередь, снижением концентрации атомов С^* (5р3Рг)- Это объясняется тем, что концентрация электроотрицательных ионов хлора С1~ в плазме настолько велика (к концу импульса накачки [С1~] = 2 • 1013 см~3), а концентрация электронов настолько мала (ДГе = 3 • Ю11 см~3), что молекулярные ионы кадмия Сс?^ более активно вступают в реакции тройной и бинарной ион-ионной рекомбинации с отрицательными ионами хлора, чем с электронами. Это приводит к уменьшению концентрации ионов Сс1% и, соответственно, снижению скорости образования паразитных атомов в ходе диссоциативной рекомбинации ионов .
Таким образом, построена кинетическая модель лазера на смеси Не-Св-ССЦ с накачкой жестким ионизатором. Проведено численное моделирование активной среды, изучены механизмы влияния добавки С С /4 на развитие релаксационных процессов в Не-С¿-СС/4-плазме и на получение генерации на переходе АсРЬв2 2 Д3/2 —» 4^105р2/,1/2 иона кадмия с длиной волны 325,0 нм. Показано, что мощное паразитное поглощение в среде на данной длине волны обусловлено высокой концентрацией метастабильных атомов Сс/*(5р3Р2)-
ЛИТЕРАТУРА
[1] К а р е л и н А. В., Яковленко С. И. Квантовая электроника, 20, N 7, 631 (1993).
[2] Труды ИОФАН, 21, 44 (1989), М., Наука.
[3] Г о р ю н о в Ф. Г., Д е р ж и е в В. И., Жидков А. Г. и др. Письма в ЖТФ, 14, 18 (1988).
[4] Г о р ю н о в Ф. Г., Д е р ж и е в В. И. и др. Квантовая электроника, 16, 10 (1989).
[5] Б а р ы ш е в а А. М., Бочков А. В., Бочкова Н. В. и др. Оптика и спектроскопия, 73, 87 (1992).
[6] Н о в о с е л о в Ю. Н., У в а р и н В. В. ЖТФ, 65, в. 4, 189 (1995).
[7] Новоселов Ю. Н., У в а р и н В. В. Оптика и спектроскопия, 78, N 6, 1004 (1995).
[8] Н о в о с е л о в Ю. Н., У в а р и н В. В. Письма в ЖТФ, 21, в. 23, 15 (1995).
Поступила в редакцию 6 февраля 1997 г.
