О механизме генерации в лазере с ядерной накачкой на ИК-переходах атома хлора

УДК 621.373.826

О МЕХАНИЗМЕ ГЕНЕРАЦИИ В ЛАЗЕРЕ С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ НА ИК-ПЕРЕХОДАХ АТОМА ХЛОРА

А. В. Карелин, О. В. Симакова

\

Представлены результаты численного моделирования кинетики процессов в активной среде лазера с ядерной накачкой на ИК переходах атома хлора в смеси высокого давления He-Ne-CCl4. Предложен механизм создания инверсии для рабочих переходов с длинами волн излучения 1,59 мкм и 2,45 мкм. Получено удовлетворительное согласие результатов расчета с экспериментом.

Недавно появились сообщения о получении относительно мощной генерации в лазере с ядерной накачкой на атомарных переходах хлора в смеси He-Nе-СС14 [1]. Отличитель ной особенностью работы данного лазера оказалось чрезвычайно низкое Ю-2 mopp) парциальное давление лазерно-активной компоненты среды при достаточно высоком давлении буферных газов (1 атм Не и 1 атм Ne). При этом механизм генерации остался неясным. В работе [1] было высказано лишь предположение о том, что наиболее вероятным механизмом заселения верхних лазерных уровней может быть ион ионная рекомбинация отрицательных ионов хлора с положительными ионами инертных газов. Кроме того, в ней упоминалась возможная роль процессов диссоциативного возбуждения.

Целью данной работы является теоретическое исследование механизма возникновения генерации в рассматриваемом лазере. Для этого нами была построена подробная нестационарная кинетическая модель лазера с ядерной накачкой на смеси He-Ne-CC'U. На ее основе проводились расчеты кинетики плазмохимических процессов в активной среде (АС), а также мощности и КПД генерируемого излучения с А =1,59 мкм и 2,45 мкм. Исходными данными (форма импульса накачки, состав смеси, пропускания зеркал) служили данные экспериментов [1].

Рассматривались следующие компоненты плазмы: Не+, Het, Не3 , Не*, НеNe+, Net, Net, Ne*, Ne*2, HeNe+, HeNe*, CI, Cl+, C\\, CCl+, CClf, CClt, CClt, C+, C~, Cl~, а также 9 возбужденных уровней хлора (3d4F9/2, 3d4D5/2<7/2, ^PADb/2ji2, 4p4/5/2,3/25 454P5/2 и высоковозбужденное состояние CI**, эффективно учитывающее уровни, лежащие выше 3d состояний). Концентрация электронов Ne находилась из условия квазинейтральности плазмы. Всего рассматривалось около 250 плазмохимических реакций. Уровень 4б4Р5/2 является усредненным метастабильным состоянием хлора с вероятностью радиационного распада А = 2,4 • 105 с"1 (вероятности радиационного распада для всех возбужденных состояний хлора рассчитаны по данным таблиц [2]). Кроме того, решались уравнения энергетического баланса для температур газа Тд и электронов Те. Учет рабочего излучения проводился в "нуль-мерном" приближении. Для численного моделирования использовался комплекс программ "ПЛАЗЕР" [3].

Оба исследуемых рабочих перехода 3d4F9/2 — 4pAD7/2 (1,59 мкм) и 3dAD7/2 — ip4D7/2 (2,45 мкм) имеют общий нижний уровень, и максимальная по давлению CCI4 выходная мощность достигается при одном и том же значении давления 30 мторр [1]. Поэтому в модели способ создания инверсии на данных переходах предполагался одинаковым.

На основе наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных результатов было установлено, что основными каналами накачки верхних рабочих уровней являются процессы тройной рекомбинации атомарных ионов С1+ с электронами, диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов Cl%, CCl~t и ион-ионная рекомбинация возбужденного иона СС1%*:

Cl+ + е + М = СГ + М,

С1+ + е + е = С1* + е,

Clt + e = CI* + CI,

CClt + e = Cl* + cci;

CClt* + cr = CI* + CCl2.

Полные константы скоростей реакций (1) - (5) соответственно равны 5,4  10-27Г-4,5 СЛ46с-15 2 . 10-31ГаГ-3'5 см*с-\ 2 • Ю^Т'0'5 см3с-\ 2 • 10-7Г-°-5 слАг1, 2 • Ю-6 сл{3с-1 (при 2 атм буферного газа); температуры Те и Тд измеряются в эВ. Ha. верхний рабочий уровень линии 1,59 мкм попадает 55% от потока реакций (1) - (3), 60% от потока реакции (4) и 10% - от потока реакции (5). Для уровня 3d4D7/2 эти величины составляют соответственно 10, 20 и 0%.

Э, 10" см Зс

100

4

10

1

5

0.1 I

0.01

0.001

'    "

0.1

1

10

100

1000

р, мторр

Рис. 1. Зависимости полных потоков Б реакций

Относительный вклад процессов (1) - (5) в накачку верхних рабочих уровней зависит от содержания СС14. На рис. 1 приведена зависимость потоков накачки от парциального давления СС14. При давлениях не превышающих 10 мторр процессы (1), (2) играют определяющую роль. В интервале давлений 10 - 100 мторр в накачке верхнего уровня активно участвует процесс (3), значение его потока достигает максимума при давлении СС14, равном 30 мторр. В области давлений свыше 60 мторр в накачку включается процесс (4). При давлении СС14, большем 100 мторр, он является преобладающим.

Очистка нижнего рабочего уровня происходит за счет радиационного распада, а также неупругих столкновений с гелием и неоном. Константа тушения атомами буферного газа была принята равной Ю-12 см3с~1.

Скорости перемешивания уровней электронами оценивались на основе аппроксимации Ван-Реджемортера. Скорости прямых и обратных процессов рассчитывались, исходя из принципа детального равновесия. В условиях экспериментов [1] концентра ция электронов относительно невелика (1012 — 1013 см~3), поэтому перемешивание ими уровней не вносит заметных изменений в распределение населенностей.

Характерной чертой смесей с содержанием СС/4 является высокая концентрация отрицательных ионов хлора С1~, сильно влияющих на кинетику плазмы. Эффективная

(5).

наработка последних происходит в реакциях диссоциативного прилипания электронов

СС1п + е = СС1п-\ + СГ,

С72 + е = С7 + СГ,

где п - изменяется от 4 до 1.

Константы скоростей для (6), (7) взяты из работ [4, 5] и задавались в виде сплайнов. Поскольку Те в расчетах не превышала 1 эВ, конкурирующие с (7) процессы возбуждения и ионизации [5] С¿2 электронами не учитывались.

С>, Вт

Н, 10"см2с1

100 80 60 40 20 0

1

1 >/

/ V 2 ^ ю <»

1 >...1-111111 • 111 щи — 1 1 111111 1 1 1 11111

20 15

10

0.1

10

р, мторр

100

1000

Рис. 2. Зависимость мощности излучения С} (1) и пороговой плотности потока нейтронов П (2) от парциального давления СС14 (давление смеси 2 атм, Не:Ме=1:1, А = 1,59 мкм, гг = г^ = 0,998^. Сплошная линия - эксперимент, пунктир - расчет.

Ионы С1~ участвуют в процессах тройной ион-ионной рекомбинации с атомарными и молекулярными ионами гелия и неона с образованием промежуточных комплексов Л^еС/*, НеС1*, энергия возбуждения которых существенно превосходит потенциал ионизации атома хлора. Распад указанных комплексов является главным источником образования ионов С1+, которые, в свою очередь, участвуют в накачке верхних рабочих уровней и приводят к образованию молекулярных ионов С/^":

С1+ + С12 = С7+ + а, С1+ + С1+ М = С/+ + М, М = Не, ТУе.

Q, отн. ед.

Ft, 1013cmV

1.5

0.5

1

4

8

0

0

О

0.2 0.4 0.6

pNe/

0.8

1

Рис. 3. Зависимость мощности излучения Q (1) и пороговой плотности потока нейтронов Ft (2) от относительного содержания неона в смеси He-Ne-CCl4 (давление смеси 2 атм, давление СС14 0,03 mopp, А = 1,59 мкм, гх = г2 — 0,998/

Сравнение полученных на основе расчета по данной модели и экспериментально измеренных характеристик лазерной генерации (выходной мощности и пороговой плот ности потока нейтронов) приведено на рис. 2, 3.

Максимум выходной мощности в зависимости от давления СС14 при неизменном давлении буферного газа 2 атм и соотношении He.Ne—1:1 достигается при 30 мторр (рис. 2). Он обусловлен конкуренцией процессов роста концентраций С1 и С12 и, вслед ствие этого, концентрации С12 в реакциях (8) и (9), с одной стороны, и уменьшение-, числа электронов и роста С1~ в процессах (6), (7) - с другой.

Минимальное значение пороговой плотности потока нейтронов приходится на более низкое давление СС14 - 7,6 мторр (рис. 2). При малых (околопороговых) мощностях накачки верхний рабочий уровень заселяется преимущественно в процессе ион-ионной рекомбинации возбужденных молекулярных ионов СС12* с С1~ (5). Ионы СС12* обра зуются в реакциях Пеннинга молекул CCI4 и СС12 на возбужденных атомах и молекулах гелия и неона, а также в результате перезарядки CCI4 и СС12 на атомарных и молекулярных ионах инертных газов. Наличие оптимума для зависимости пороговой плотности потока нейтронов от давления CCI4 объясняется суммой процессов образования CCl£* и их исчезновением в реакциях перезарядки на молекулах CCI4. Следует отметить, что привлечение ион-ионной рекомбинации возбужденных ионов CClf по-

требовалось для описания именно пороговых характеристик генерации, хотя никакой достоверной информацией о них мы не располагаем.

Зависимость выходной мощности излучения от относительного содержания неона в смеси при постоянном суммарном давлении 2 атм приведена на рис. 3. В эксперименте выявлено наличие оптимума по давлению неона, достигаемого при соотношении давлений Не:Ые—\:\. С последующим добавлением неона наблюдался спад мощности Вероятной причиной этого ухудшения генерации в эксперименте, на наш взгляд, является неравномерность энерговыделения по сечению канала с ростом давления неона. Эффективность энерговклада в чистом неоне с учетом этого фактора ухудшается почти вдвое [6].

ЛИТЕРАТУРА

[1] М е л ь н и к о в С. П., П о р х а е в В. В. Квантовая электроника, 22, 891 (1995).

[2] В а й н ш т е й н А. А., Собельман И. И., Юков Е. А. и др. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. Сводка формул и таблиц. М., Наука, 1973.

[3] Труды ИОФАН, 21 (Под ред. С. И. Яковленко). М., Наука, 1989.

[4] S р а п е 1 Р. et al. J. Phys. В, 28, 2941 (1995).

[5] Rogoff L. G., Kramer J. M., Piejak R.B. IEEE Trans. Plasma Science, 14, 103 (1986).

[6] К a p e л и H А. В., Середа О. В., Харитонов В. В. и др. Атомная энергия, 61, 1, 44 (1986).

Институт общей физики РАН Поступила в редакцию 24 марта 1997 г.