ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 3, с. 371-377
^^^^^^^^^^^^^^ СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^^^^^
АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
УДК 621.373.826
ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОВОЛНОВОЙ ГЕНЕРАЦИИ В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО
ЛАЗЕРА НА СМЕСИ He + Ne + Sr
© 2015 г. Т. М. Горбунова, А. Н. Солдатов, Ю. П. Полунин, А. В. Луговской
Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634036 Томск, Россия
E-mail: general@tic. tsu. ru Поступила в редакцию 08.05.2014 г.
Обсуждены механизмы многоволновой генерации на линиях He I, Ne I, Sr I, Sr II, полученной в активной среде высоковольтного импульсно-периодического лазера, работающего на смеси Не + Ne + Sr при общем давлении ~200 мм рт. ст. и длительности импульса тока ~(150—300) нс. Показана большая роль столкновительного теплового перемешивания генерационных уровней Ne I и Sr I в муль-типлетах, а также столкновительного удара второго рода метастабильных атомов с невозбужденными в процессах заселения и расселения уровней. Сделана оценка абсолютных заселенностей верхних и нижних уровней генерационных переходов Ne I. Обнаружено, что степень ионизационного неравновесия плазмы в течение и в конце импульса тока определяет механизм формирования инверсной населенности лазерных переходов.
DOI: 10.7868/S0030403415030149
ВВЕДЕНИЕ
Высоковольтные импульсно-периодические лазеры на парах металлов (ИП ЛПМ) с продольной накачкой, работающие на смесях He(Ne) + Sr, He + Ne + Sr при давлениях буферного газа 30— 200 Торр и паров стронция 0.1—2 Торр, известны прежде всего благодаря генерации на линии Sr I А, = 6.456 мкм. Такого типа генерация осуществляется в лазерах на самоограниченных переходах с резонансного уровня на метастабильный (так называемые r—m-переходы). В данном случае максимальная средняя мощность лазера приближается к 20 Вт. При близких условиях возбуждения наблюдалась также генерация на r—m переходах Sr II, I = 1.03 и 1.09 мкм и He I, I = 2.06 мкм [1, 2].
Лазеры на r-m-переходах работают, как правило, по схеме с накачкой продольным электрическим разрядом, хотя эффективность накачки поперечным разрядом существенно выше. В схеме с продольным разрядом средняя напряженность электрического поля в разрядном объеме намного ниже, чем с поперечным, а поскольку частоты возбуждения и ионизации газа экспоненциально зависят от E/p, то накачка оказывается менее эффективной. Для многих технических и научных применений качество луча лазеров с поперечной накачкой недостаточно, поэтому используют лазеры с продольной накачкой [3]. Исследуемые в настоящей работе высоковольтные разряды с продольным возбуждением по устройству газоразрядного источника, по способу созда-
ния импульсов напряжения наносекундной длительности и по характеру изменения тока являются стабильными системами, в которых для создания сильно неравновесной плазмы одновременно используются и электронный пучок, и электрический разряд. В таких системах вблизи высоковольтного электрода (в нашем случае — катода) зарождаются высокоскоростные волны ионизации (ВВИ), имеющие субсветовую скорость заполнения разрядного промежутка высо-коионизованной плазмой и наличие во фронте волны сильных электрических полей и высоко-энергетичных ("убегающих") электронов [3, 4].
Диагностика плазмы, проведенная в работе [5], показала, что в смеси Не(№) + 8г при указанных выше давлениях и амплитуде высоковольтного импульса ~10 кВ разряд начинает развиваться как скользящий вдоль диэлектрической поверхности газоразрядной трубки (ГРТ). Продольная ВВИ при этом оставляет за собой значительный заряд на поверхности диэлектрика, который в свою очередь создает поперечное электрическое поле, продвигающее ионизированную плазму к центру ГРТ. Столб плазмы с высокой температурой Те и концентрацией пе электронов возникает на значительном расстоянии от стенок и продвигается к центру с большей скоростью в гелии, чем в неоне. Для предотвращения перегрева в центре трубки к гелию был добавлен неон, что привело к появлению генерации на группе переходов № I ~ 1 мкм,
371
2*
Спектральные генерационные линии, соответствующие им переходы, энергии верхних и нижних уровней и их обозначения
№ Длина волны излучения, нм Ев, эВ Ен, эВ Переходы в обозначениях LS-связи Переходы в обозначениях Рака* Переходы в обозначениях Пашена
1 1029.5 Ne I 19.78 18.58 4s 1P1 - 3p 3D2 4s'[1/2]° - 3p[5/2]2 2s2 - 2p8
2 1033.0 Sr II 3.04 1.81 5p2p°/2 - 4d 2DW2
3 1079.8 Ne I 19.78 18.61 4s 1P1 - 3p 3D1 4s'[1/2]i- 3p[3/2]1 2s2 - 2p7
4 1084.4 Ne I 19.78 18.64 4s 1P1 - 3p 1D2 4s'[1/2]°- 3p[3/2]2 2s2 - 2p6
5 1091.4 Sr II 2.96 1.84 5p 2P°2 - 4d 2D3/2
6 1117.7 Ne I 19.66 18.56 4s 3P2 - 3p 3D3 4s[3/2]2- 3p[5/2]3 2s5 -2p9
7 1152.3 Ne I 19.78 18.69 4s 1P1 - 3p 3P2 4s'[1/2]° - 3p' [3/2] 1 2s2 - 2p4
8 1176.7 Ne I 19.78 18.73 4s 1P1 - 3p 3P1 4s'[1/2]i - 3p' [1/2] 1 2s2 - 2p2
9 1259.4 Ne I 19.69 18.69 4s 3P1 - 3p 3P1 4s[3/2]i- 3p' [3/2] 1 2s4 - 2p4
10 1268.9 Ne I 19.69 18.7 4s 3P1 - 3p 3P0 4s[3/2]°-3p[1/2]0 2s4 - 2p3
11 1288.7 Ne I 19.69 18.73 4s 3P1 - 3p 3P1 4s[3/2]°-3p'[1/2]1 2s4 - 2p2
12 1523.1 Ne I 19.78 18.97 4s 1P1 - 3p 1S0 4s'[1/2]° - 3p'[1/2]0 2s2 - 2p1
13 2058.1 He I 21.22 20.62 2p 1P1 - 2s1S0
14 2691.5 Sr I 2.26 1.8 4d 3D2 -- 5p3P1°
15 2922.5 Sr I 2.27 1.85 4d 3D3 - 5p3P2°
16 3011.0 Sr I 2.26 1.85 4d 3D2 - 5p 3P2°
17 6456.0 Sr I 2.69 2.5 5p1P1° - 4d 1D2
18 585.3 Ne I 18.97 16.85 3p 1S0 - 3s 1P1 3p'[1/2]0 - 3s'[1/2]i 2p1 - 1s2
19 540.1 Ne I 18.97 16.67 3p 1S0 - 3s 3P1 3p'[1/2]0-3s[3/2]° 2p1 - 1s4
*Штрихованные и нештрихованные уровни в nl ' = 2p5(2P10/2).
шестом столбце относятся к разным состояниям остова: nl = 2p5(2P30/2),
на линии Не I с Л, = 2.06 мкм, а также на двух линиях № I в видимой области спектра [1, 6].
ЭКСПЕРИМЕНТ В СМЕСИ Не + Не + 8г
Впервые сообщение о получении практически одновременной многоволновой генерации на атомах Не I, Не I, 8г I, 8г II в соответствующей смеси опубликовано в [2]. Исследования проведены с газоразрядным источником лазерного излучения [5], разрядный канал которого выполнен из ВеО — керамической трубки с внутренним диаметром 2 см и длиной 50 см. Накачка активной среды осуществлялась по схеме прямого разряда накопительного конденсатора ~ 1175—1570 пФ.
В качестве коммутатора использован тиратрон ТГИ-1000/25. Регистрация импульсов тока, напряжения и генерации проводилась с помощью пояса Роговского, делителя напряжения Р6015А и коаксиальных фотоэлементов. Регистрируемые датчиками сигналы подавались на осциллограф Tektronix TDS-3032. Средняя мощность контролировалась измерителем мощности OPHIR (Nova II). Спектр излучения лазера исследовался с помощью монохроматора МДР-204 с пределом регистрации ~5 мкм, поэтому линия 6.45 мкм Sr не регистрировалась. Накачка активной среды осуществлена при частотах следования импульсов возбуждения 17—24 кГц и напряжении на выпрямителе 3—5.5 кВ. При изменении частот и напря-
I, А 90 W, отн. ед. г 1.0 л - 3 к ^ /1 V -0.5 VI \
45
200 ^/"400 600 г, нс
5 - \
10 -
V, кВ
Рис. 1. Импульс тока, протекающего через ГРТ (7), импульс напряжения на ГРТ(2), импульс генерации (3).
жении менялся стационарный тепловой режим ГРТ, а значит, и количество паров стронция, поступающих в разряд (Р8г менялось в пределах 12.5 Торр). В зависимости от количества паров стронция в разряде изменялось соотношение ин-тенсивностей наблюдаемых линий генерации, представленных в таблице. Максимуму напряжения (рис. 1) соответствует появление генерационных линий не только 8г I и 8г II, но и Не I и № I. Формирование генерации на всех переходах, кроме № I с длинами волн X = 0.5853, 0.5401 мкм, происходило на крутом переднем фронте импульса тока, следующем за максимумом импульса напряжения (рис. 1). Генерация на этих двух переходах экспериментально наблюдалась на экране осциллографа в конце импульса тока, а также визуально. На рис. 1 приведен в качестве примера временной ход генерации на переходах 8г II, X = 1.03, 1.09 мкм, выделенных при использовании соответствующего светофильтра. Исследование Не—8г-лазера (без добавления неона) показало, что в нем наблюдается генерация только на переходах атома и иона стронция [1]. Генерация на г-ш-переходе Не I с X = 2.06 мкм появлялась только при введении в смесь Не + 8г неона в соотношении РКе: РНе ~ 1: 2 при общем давлении ~200 Торр. Пары стронция поступали в разряд при разогреве стенки разрядного канала ГРТ в интервале температур ~700- 1100°С. Введение неона привело к появлению генерации не только на переходе Не I с X = 2.06 мкм, но и на группе переходов № I в области ~1 мкм. Линии генерации появлялись в разные моменты времени по мере разогрева трубки. Наиболее чувствительны к разогреву трубки линии генерации на атомах 8г I и ионах 8г II. Линии генерации на переходе Не! и
переходах № I обозначены на схеме (рис. 2). Средняя мощность генерации на линии 8г I X = = 6.45 мкм составляла 40-50% от суммарной мощности во всем исследуемом диапазоне изменения температуры разрядного канала ГРТ и достигала значения ~4.9 Вт. Начало импульса генерации на линии Не I с X = 2.06 мкм, а также генерации на линиях № I ~ 1 мкм совпадало с максимумом напряжения на ГРТ (рис. 1). Во время генерации на линиях 8г I ~ 3 мкм на спаде импульса тока наблюдались визуально также генерация на линии № I X = 585.3 нм (№ 18 таблицы) и "проблеск" генерации на линии № I X = 540.1 нм (№ 19 таблицы).
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Механизм формирования инверсии на инфракрасных переходах атома 8г I и иона 8г II подробно обсужден в [6]. Добавление неона к гелию существенно не повлияло на генерацию на переходах 8г I и 8г II. Но, как уже упоминалось, добавление неона к смеси Не + 8г привело к появлению генерации на линии Не I X = 2.06 мкм и одновременно на группе линий № в области ~1 мкм. Смесь гелия с неоном известна в связи с созданием первого газоразрядного лазера на переходах неона № I X = 632.8 и 1152 нм (1.15 мкм) соответственно с уровней 5^ и 4^ на уровни 3р. На рис. 2 дано относительное расположение уровней № I и Не I. В связи с получением импульсной генерации на группе переходов № I в области ~1 мкм обращ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.