Механизмы влияния примесей галогенводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди

УДК621.373.826

МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ ГАЛОГЕНВОДОРОДОВ НА ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ

О.В. Жданеев*, Г.С. Евтушенко**

•Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, **Томский политехнический университет

Тел.: (382-2М19-869

Проведена систематизация и обобщение имеющихся на данных момент сведений о механизмах влияния примесей галогенво-дородов (НВг, HCl) на кинетику активной среды лазера на парах меди (ЛПМ). Проводится анализ имеющихся отличий влияния молекул HCI и НВт на генерационные характеристики лазера на парах меди. Сделан вывод о том, что кинетика лазеров на парах меди с добавками электроотрицательных газов изучена недостаточно и существует необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований данного типа лазеров.

Введение

В настоящее время внимание исследователей и разработчиков лазеров на парах металлов (ЛПМ) уделяется не столько традиционному лазеру на парах меди, сколько его различным модификациям, содержащим в активной среде, наряду с буферным газом неоном, различные галогеносодержащие молекулы (НВг, НС1) [1-3]. Это лазеры на парах бромида и хлорида меди с примесью водорода и гало-генводорода, лазеры на парах меди с добавками НВг и НС1. Данные добавки модифицируют кинетику разряда благоприятным для повышения генерационных характеристик образом. Введение добавок галогенводородов позволило получить увеличение средней мощности излучения в несколько раз при одновременном повышении эффективности генерации и оптимальной частоты следования импульсов возбуждения [4-8]. Значительно повышается и качество выходного излучения (особенно важный параметр в системах генератор-усилитель), которое является неоспоримым преимуществом газовых лазеров [9]. Наличие в разряде электроотрицательных примесей существенно влияет на кинетику плазмы активной среды лазера, как в течение импульса возбуждения, так и в послесвечении [5-22].

Важнейшими преимуществами лазеров, имеющих в активной среде примесь галогенводородов, являются следующие:

- Выходные характеристики этих лазеров не уступают, а в отдельных случаях превосходят, ЛПМ. В частности, лучшие генерационные характеристики для импульсно-периодических лазеров видимого диапазона спектра получены для лазера на бромиде меди и его аналога - гибридного лазера (CuHyBrID-laser). Так, эффективность лазеров превысила 3 %, при высокой средней мощности (более 100 Вт) и удельной (с единицы объема) мощности (до 2 Вт/см3) - Н. Саботинов (Болгария) и К. Литтл (Великобритания), с соавторами - 1997-2000 гг. [23]. Для лазера на парах бромида меди достигнута самая высокая частота повторения импульсов генерации - 300 кГц [24].

- Как показали исследования характеристик разряда и кинетики, выполненные группой проф.

Г. Петраша (ФИАН, совместное группой К. Литтла), проф. Д. Пайпера (с соавторами - Макуо-ри Университет, Австралия), наличие в активной среде электроотрицательных ионов молекул НВг (НС1) приводит к изменению кинетики активной среды в сторону, благоприятную для накачки рабочих состояний.

На данный момент отсутствуют работы, посвященные систематизации и обобщению имеющихся механизмов влияния примесей галогенводородов (НВг, НС1) на кинетику активной среды лазера на парах меди. Этим вопросам и посвящена статья.

Механизмы влияния примеси хлорводорода на генерационные характеристики ЛПМ

В этом разделе приводится перечень известных авторам механизмов влияния добавок хлорводорода на совокупность процессов, протекающих как в разрядном контуре, так и в активной среде лазера в течение импульса возбуждения и в период послесвечения.

1. Главное изменение в кинетике при введении примеси НС1 заключается в увеличении скорости спада концентрации электронов в течение межимпульсного периода вследствие протекания реакций диссоциативного присоединения к колебательно возбужденным молекулам хлорводорода, что ведет к уменьшению предымпульс-ной концентрации электронов, создавая более благоприятные условия работы устройства [9-16].

2. По сравнению со стандартным ЛПМ уменьшается плазменный скин-эффект, определяющий развитие радиального электрического поля, что улучшает качество выходного пучка в 5... 10 раз. К этому же эффекту приводит сдвиг "центра тяжести" импульса генерации к концу импульса одновременно с уменьшением его "колебательной структуры" [9-13,15,16].

3. При добавлении в активную среду НС1 увеличивается сопротивление плазмы в течение импульса возбуждения вследствие изменения предым-пульсной концентрации электронов. Это приводит к снижению максимального значения тока через газоразрядную трубку (ГРТ) при его ярко

выраженном колебательном поведении [10— 13,16].

4. Введение примеси хлорводорода сопровождается увеличением концентрации атомов меди в активной среде, однако это не обеспечивает наблюдаемого увеличения средней мощности генерации [11-13].

5. Из результатов моделирования [12, 13] следует, что наблюдается увеличение максимальной температуры электронов, причем длительность интервала, в течение которого энергия электронов остается выше уровня 3 эВ (именно в этот период осуществляется интенсивная накачка резонансных уровней), увеличивается, что ведет к увеличению длительности импульса генерации.

6. Замедляется спад температуры в начальной стадии послесвечения, что происходит вследствие падения количества кулоновских столкновений (типа е + А+), из-за быстрой нейтрализации положительно заряженных ионов меди отрицательными ионами хлора [13].

7. Уменьшается истощение концентрации атомов меди в активной среде при одновременном значительном увеличении скорости восстановления населенности основного состояния в межим-пульсный период [13].

8. Замедляется тушение метастабильных уровней атома меди в течение начального этапа межим-пульсного периода вследствие снижения концентрации электронов, что приводит к снижению эффективности процесса электронного девозбуждения [13, 14].

9. Потери энергии электронов, в столкновениях с хлорсодержащими элементами, незначительны по сравнению с потерями в столкновениях с компонентами меди, водорода и неона, т.е. столкновения электронов с HCl, CI, Cb, CuCl не оказывают заметного влияния на температуру электронов [13].

10. В течение импульса возбуждения влияние примеси HCl на кинетику активной среды вследствие низкой концентрации мало [13,14]. Основные процессы, приводящие к изменениям в кинетике разряда (и генерации лазера) при введении примеси хлорводорода, представлены в табл. 1.

Механизмы влияния примеси бромводрода на генерационные характеристики ЛПМ

В данном пункте мы приводим список возможных механизмов влияния добавок бромводорода на процессы в электрической схеме возбуждения и в плазме газоразрядной трубки в течение импульса возбуждения и в межимпульсный период.

1. Главный механизм улучшения состоит в том, что вследствие диссоциативного присоединения к молекулам НВг в течение межимпульсного периода и в начале импульса возбуждения проис-

ходит эффективное удаление электронов из активной среды [12, 19] и увеличение задержки между импульсами тока и напряжения на ГРТ [12,17,18,21,22]. Вместе с тем, в работе [20] сообщается, что в присутствии примеси НВг увеличивается максимальная концентрация электронов.

2. Для эффективной работы примеси НВг, вследствие низкой скорости реассоциации необходима высокая скорость прокачки [12, 21].

3. Добавление НВг ведет к увеличению максимального напряжения при одновременном снижении тока через ГРТ вследствие уменьшения проводимости плазмы [12,17,18, 21, 22].

4. Наблюдается более быстрое восстановление концентрации атомов меди в основном состоянии на оси ГРТ, в несколько раз большее, чем для лазера с буферными смесями Ne-H2HNe|15, 18].

5. Относительно изменений населенностей уровней атома меди имеются противоречивые данные. В частности, в работе [18] отмечается, что существенных изменений населенностей метастабильных, резонансных и основного уровней атома меди не происходит, однако в работах [15, 18,20] приводятся данные о том, что:

5.1.Функционирование лазера с добавками НВг происходит при более высоких плотностях меди, чем для стандартного ЛПМ [15].

5.2.Изменяется скорость распада и радиальное распределение концентрации атомов меди в мета-стабильном состоянии [17].

5.3.В работе [20] отмечается, что введение в активную среду НВг сопровождается снижением концентрации меди на оси ГРТ.

6. Существуют разные точки зрения относительно влияния добавок бромводорода на температуру газа:

6.1.В работе [17] отмечается, что изменения радиального профиля газовой температуры малы.

6.2.В тоже время в [15, 21] приводятся сведения об увеличении температуры стенки ГРТ и увеличении порога тепловой устойчивости.

6.3.В работе [20] сообщается, что происходит снижение температуры газа на оси ГРТ при добавлении НВг.

7. Введение примеси бромводорода увеличивает длительность, изменяет форму импульса, что приводит к улучшению качества лазерного пучка - "beam quality" [12, 17, 21].

8. В работе [17] высказывается предположение о том, что улучшение генерационных характеристик связано с образованием в активной среде лазера отрицательных ионов водорода.

9. Согласно гипотезе авторов [19], введение примеси НВг модифицирует функцию распределения электронов по энергии таким образом, что

создаются более благоприятные условия для работы лазера.

10. В работе [21] высказывается мнение о том, что в отпаянном варианте Cu-HBr лазера вследствие значительной степени диссоциации НВг улучшение генерационных характеристик не может быть объяснено механизмом диссоциативного присоединения.

Процессы, приводящие к изменениям в кинетике разряда и генерации Си-лазера при введении примеси бромводорода, представлены в табл. 2.

Основные отличия в кинетике активных сред, содержащих НВг и HCI

В данном разделе суммированы имеющиеся в литературе сведения о различиях в кинетике активных сред, генерирующих на переходах атома меди и содержащих в качестве активных примесей (к основному буферному газу неону) молекулы хлорво-дорода и бромводорода. Резюмируя, можно заключить, что:

1. Степень влияния указанных выше добавок на межимпульсную релаксацию температуры и концентрации электронов в течение импульса возбуждения различна. Предымпульсная проводимость плазмы Cu-HCl-Ne-лазера значительно выше, чем у Cu-HBr-Ne-лазера [11, 25].

2. Оптимальная концентрация добавок НВг в плазму лазера на парах меди с буферным газом неоном существенно выше по сравнению с добавками НС1. Для эффективной работы примеси НВг, в отличие от НС1, необходима более высокая скорость прокачки. Это связано с тем, что процесс восстановления молекул НС1 в объеме плазмы при рабочих температурах (свыше 1000 К), протекает более эффективно, чем молекул НВг [10-12, 21].

3. Мощность и эффективность лазера на парах бромида меди с добавками водорода к буферному газу неону приблизительно на треть выше аналогичных параметров для CuCl-Hj-Ne-лазера [10,11].

Заключение

Анализ имеющихся литературных данных, относящихся к исследованию влияния добавок как НВг, так и НС1 на генерационные характеристики лазера на парах меди показывает, что введение малых добавок этих примесей в активную среду приводит к существенному улучшению выходных параметров лазерного излучения (мощность, КПД, качество излучения). В отличие от лазеров на парах чистых

металлов, для накачки ЛПМ с активными добавками, а также лазеров на парах галогенидов металлов, требования к импульсу накачки оказываются менее жесткими. Это позволяет реализовать более эффективную генерацию с высокой частотой следования не только на основных переходах металлов, лежащих в зелено-красной и ближней ИК-областях спектра, но и на более слабых - в голубой и ближней УФ-областях. Об этом свидетельствуют данные К. Литтла [23], Н. Саботинова с соавторами [22] и наши последние эксперименты с РЬВг2-лазером [26]. Вместе с тем, анализ выдвинутых предположений и выводов различных авторов относительно механизмов влияния галогенводородов на выходные параметры лазера свидетельствует об отсутствии единого мнения. Это требует проведения дополнительных комплексных исследований лазера на парах меди (и других металлов) с активными добавками в разряд, включающих компьютерное моделирование и реальный эксперимент.

Таблица 1. Основные процессы, приводящие к изменениям в кинетике, вызванные введением примеси НО. Те ~ температура иЫе~ концентрация электронов, ЫСи, - концентрации ато-

мов меди в основном, нижнем и верхнем рабочем состояниях. Значки ], и | - показывают тенденцию к уменьшению и увеличению, соответственно.

Процесс Изменения в кинетике

HCl (v=0) + е -» HCl (v*0) + е iT,

С1 + 2-е —> С1 + е iN,

НС1 (у) + 2-е->СГ + Н + е lNe

Cu + HCl (v) -> CuCl + e 'l' Neu

Cu+ + СГ -> Cu (P) + CI T Ac.uiPt

Cu (D) + CI —> CuCl + e 'l'Akua», 'l'Ncum

Cu (D) + H? (v) -> CuH + H 'l'^CuiDli ^ A/cufPl

Cu

Таблица 2. Основные процессы, приводящие к изменениям в кинетике, вызванные введением примеси НВг

Процесс Изменения в кинетике

HBr (v=0) + e —> HBr (v*0) + e 1те

Br + 2-e -» Br' + e i Ne

HBr (v) + 2-e -»Br' + H + e lNe

Cu + HBr (v) -» CuBr + e iNCu

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Atomic and Molecular Pulsed Lasers: Abstract of 5th Int. Conf. - Tomsk, Russia, 2001. - P. 21-36.

2. Gas How and Chemical Lasers and High Power Laser Conference: Digest of 14th Int. Symp. On. - Poland, 2002.

- P. QR25-OR30.

3. Лазеры на парах металлов: Тезисы докл. симп. - Ро-стов-на-Дону, 2002. - 75 с.

4. Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян МА., Климов-ский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограничен-ных переходах атомов металлов. - М.: Научная книга, 1998. - 544 с.

5. Jones D.R., Maitland A., Little С.Е. A high efficiency 200 W average power copper HyBrlD laser// IEEE Q.E.

- 1994. - Vol. 30. - P. 2385-2390.

6. Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J., Piper J.A. Enhanced performance of elemental copper-vapour lasers by use of H2-HCl-Ne buffer gas mixtures // Optics Letters.

- 1998. - Vol. 23. - № 9. - P. 706-708.

7. Jones D.R., Little C.E. Kinetics of copper HyBrlD lasers // Proc. SPIE. - 1995. - Vol. 2619. - P. 52-67.

8. Земсков К.И., Исаев А.А., Петраш Г.Г. Роль отрицательных ионов в плазме импульсных лазеров на парах металлов и их соединений // Квантовая электроника. - 1997. - Т. 24. - № 7. - С. 596-600.

9. Brown D.J.W., Withford М J. and Piper J.A. High-power, high-brightness master-oscillator power-amplifier copper laser system based on kinetically enhanced active elements // IEEE Q.E. - 2001. - Vol. 37. - P. 518-524.

10. Sabotinov N.V., Vuchkov N.K., Astadjov D.N. Effect of hydrogen in the CuBr- and CuCl-vapour lasers // Optics comm. - 1993. - Vol. 95. - P. 55-56.

11. Mildren R.P., Osgood K.E., Piper J.A. Characteristics of copper HyBrlD-type lasers which use HC1 reactive gas // Opt. and quantum electronics. - 1997. - Vol. 29. - P. 991-998.

12. Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J., Piper J.A. Kinetically enhanced copper vapour lasers employing H2-HCl-Ne buffer gas mixtures // Optics comm. - 1998. -Vol. 154. - P. 160-166.

13. Carman R.J., Mildren R.P., Withford M.J., Brown D.J.W. and Piper J.A. Modeling the plasma kinetics in a kinetically enhanced copper vapour laser utilizing HC1+H2 admixtures // IEEE Q.E. - 2000. - Vol. 36. -P. 438-449.

14. Carman R.J., Mildren R.P., Piper J.A., Marshall G.D., Coutts D.W. Plasma kinetics issues for repetition rate scaling of kinetically enhanced copper vapour lasers // Proc. SPIE. - 2001. - Vol. 4184. - P. 215-218.

15. Mildren R.P., Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J. and Piper J.A. Afterglow ground-state copper density behavior in kinetically enhanced copper vapor lasers // IEEE Q.E. - 1998. - Vol. 34. - № 12. - P. 2275-2278.

16. Marshall G.D., Coutts D.W. Repetition rate scaling up to 100 kHz of a small-scale (50W) kinetically enhanced copper vapour laser// IEEE J. of sel. Topics in Quantum Electronics. - 2000. - Vol. 6. - № 4. - P. 623-628.

17. Astadjov D.N., Vuchkov N.K., SabotinovN.V. Parametric study of the CuBr laser with hydrogen additives// IEEE Q.E. - 1988. - Vol. 24. - № 9. - P. 1927-1935.

18. Astadjov D.N., Isaev A. A., Petrash G.G., Ponomarev I.V., Sabotinov N.V., Vuchkov NX Temporal and radial evolution of the populations of Cul in the CuBr vapor laser // IEEE Q.E. - 1992. - Vol. 28. - № 10. - P. 1966-1969.

19. Isaev A.A., Jones D.R., Little C.E., Petrash G.G., Whyte C.G., Zemskov K.I. Characteristics of pulsed discharges in copper bromide and copper HyBrlD lasers // IEEE Q.E. - 1997. - Vol. 33. - № 6. - P. 919-926.

20. Chang C., Sun W. Effect of additive hydrogen on kinetics mechanisms of CuBr lasers // Optics comm. - 1995. -Vol. 117.-P. 357-366.

21. Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J., Piper J.A. Investigation of the effects of bromine and hydrogen bromide additives on copper vapour laser performance // Optics comm. - 1997. - Vol. 135. - P. 164-170.

22. Vuchkov N.K., Astadjov D.N., Sabotinov N.V. Influence of the excitation circuits on the CuBr laser performance // IEEE Q.E. - 1994. - Vol. 30. - № 3. - P. 750-758.

23. Little K. Metal Vapour Lasers. - John Willey & Sons, London, 1999. - 620 p.

24. Евтушенко Г.С., Петраш Г.Г., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. CuBr-лазер частотой следования импульсов до 300 кГц // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 28. -№ 3. - С. 220-222.

25. Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. Лазер на парах бромида меди с высокой частотой следования импульсов // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 33. - № 8. - С. 680-682.

26. Evtushenko G.S., Andrienko О.S., Zhdaneev O.V., Pavlinsky A.V., Shestakov D.Yu., Shiyanov D.V., Sokovikov V.G., Sukhanov V.B. Lead bromide vapour laser // Proc. SPIE. - 2002. - V. 4747. - P. 202-206.