способ получения лазерного излучения на связанно-свободных электронных переходах молекул

Формула изобретения

Способ получения лазерного излучения на связанно-свободных электронных переходах молекул, основанный на создании активной среды путем возбуждения газа или газовых смесей, включающий воздействие на температуру активной среды извне, отличающийся тем, что активную среду просвечивают в продольном направлении атомарным излучением, попадающим по длине волны в полосу спонтанного излучения с лазерных уровней, и при этом создают такую спектральную плотность просвечивающего излучения, при которой вероятность вынужденных переходов с лазерных уровней больше вероятности спонтанных переходов с этих уровней, при этом возбуждение газа осуществляют при давлениях больше 0,01 атм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к источникам лазерного излучения на молекулярных переходах, прежде всего к эксимерным лазерам, работающим преимущественно в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой областях спектра.

Известен способ получения лазерного излучения на связанно-свободных переходах молекул инертного газа и молекул галогенидов инертных газов, осуществляемый в эксимерных лазерах, который основан на возбуждении инертного газа или смесей инертного газа с галогеносодержащими молекулами электрическим разрядом или пучками электронов (см. например, Сборник "Газовые лазеры" (перевод. с англ. ). Под ред. И.Мак-Даниеля и У.Нигена. М. Мир, 1986. Монография А. В. Елецкого и Б.М. Смирнова "Физические процессы в газовых лазерах". М. Энергоатомиздат, 1985).

Недостатком указанного способа является то, что при его реализации требуются чрезмерно высокие заселенности лазерных уровней, с чем связана техническая сложность реализации способа.

Дело в том, что при связанно-свободных переходах полосы спонтанного излучения имеют большую (порядка 10 нм) спектральную ширину. По этой причине при реализации данного способа стараются получить высокие концентрации возбужденных молекул (10¹⁶ см^-3) в соответствии с известным выражением для пороговых условий генерации (см. предыдущие ссылки).

где K коэффициент усиления среды, N_в заселенность верхнего уровня, - спектральная ширина полосы усиления, А₂₁ вероятность спонтанного перехода, - длина волны, с скорость света.

Столь высокие концентрации возбужденных молекул достигаются лишь при высоких (1 20 атм) давлениях газа и при использовании мощного импульсного разряда с предыонизацией или плотных импульсных пучков высокоэнергетичных электронов. Поэтому источники излучения превращаются в технически сложные устройства.

Недостатком способа является и то, что не может быть получен непрерывный режим излучения.

Еще один недостаток способа значительные потери заселенности лазерных уровней на спонтанное излучение в связи с медленным развитием процесса вынужденного излучения при широкой полосе усиления. Это имеет место даже в лазерах на фторидах инертных газов, где получены КПД выше 1%

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ, в котором при возбуждении газа осуществляют внешнее воздействие на температуру активной среды, охлаждая или нагревая газовую смесь (Сборник "Газовые лазеры" (перевод. с англ.). Под ред. И. Мак-Даниеля и У. Нигена. М. Мир, 1986. Монография А. В. Елецкого и Б.М. Смирнова. "Физические процессы в газовых лазерах". М. Энергоатомиздат, 1958). Таким образом повышают заселенность лазерных уровней и, следовательно, улучшают параметры источников.

Однако недостатки, указанные выше, сохраняются и в прототипе.

Целью настоящего изобретения является снижение технической сложности устройств для получения лазерного излучения на связанно-свободных переходах, повышение КПД, достижение непрерывного во времени режима излучения.

Поставленная цель достигается тем, что приготовляемую известным способом инверсную среду просвечивают в продольном направлении атомарным излучением, попадающим по длине волны в полосу спонтанного излучения с лазерных уровней, и при этом создают такую спектральную плотность просвечивающего излучения, при которой вероятность вынужденных переходов с лазерных уровней больше вероятности спонтанных переходов с этих уровней.

Просвечивание активной среды атомарным излучением дает следующие результаты. Вынужденное излучение начинает концентрироваться в пределах спектральной ширины атомной линии (примерно в 10³ раз меньшей, чем ширина полосы спонтанного излучения с лазерных уровней). Следовательно (см. приведенную выше формулу для порогового коэффициента усиления), снижается пороговая заселенность лазерных уровней. Кроме того, снижаются потери на спонтанное излучение с лазерных уровней.

Эффективность воздействия атомарного излучения начинает резко нарастать в том случае, когда спектральная плотность атомарного излучения в активной среде достигает такой величины, при которой вероятность вынужденных переходов с лазерных уровней под действием атомарного излучения становится больше вероятности спонтанных переходов с лазерных уровней. В этом случае на порядки могут быть снижены пороговые заселенности лазерных уровней, следовательно, могут быть снижены давления возбуждаемого газа, использованы более простые способы возбуждения и более простые в техническом плане устройства для получения лазерного облучения.

Экспериментальное подтверждение заявляемого способа выполнено следующим образом. Активная среда создавалась в разрядной трубке, заполненной криптоном до давления 100 Торр. Возбуждение газа осуществлялось разрядом постоянного тока, использовался стандартный блок питания. Ток разряда поддерживался на одном уровне в пределах 10 100 мА. Внутренний диаметр разрядного капилляра 3 мм, длина 235 мм. Помещенная в термостат разрядная трубка охлаждалась до криогенных температур. При этом интенсивность полосы спонтанного излучения с лазерных уровней молекул криптона (максимум интенсивности полосы вблизи 146 нм) достигала максимального значения. Просвечивание активной среды осуществлялось ксеноновой резонансной лампой, излучающей на длине волны 146,96 нм в непрерывном режиме резонансную линию ксенона шириной 0,01 нм. Это позволяло создавать спектральные плотности излучения, при которых вероятность вынужденных переходов с лазерных уровней становится выше вероятности спонтанных переходов. Окно лампы располагалось вплотную с окном разрядной трубки (окна из фтористого магния). Противоположное окно разрядной трубки располагалось перед входной щелью вакуумного спектрометра с фотоэлектрической регистрацией спектра.

Результаты эксперимента представлены на фиг.1. На фрагменте 1 показана атомная резонансная линия ксенона, зарегистрированная спектрометром при выключенной разрядной трубке. Ширина атомной линии определяется в данном случае аппаратной функцией спектрального прибора и составляет 0,5 нм (то есть реальная интенсивность линии в максимуме занижена при регистрации данным спектрометром примерно в 50 раз). Фрагмент 2 показывает полосу излучения криптона, регистрируемую при включенной разрядной трубке, но выключенной резонансной лампе. Коэффициент усиления активной среды в центре полосы составляет при этом по нашим измерениям 10^-3 10^-4 см^-1. И, наконец, фрагмент 3 показывает результат, полученный при работающей разрядной трубке после включения резонансной лампы. Коэффициент усиления активной среды на длине волны атомной линии превышает 0,1 см^-1.

Столь высокий коэффициент усиления получен при заселенности лазерных уровней (по нашим оценкам) 10¹² см^-3 в непрерывном режиме излучения при возбуждении газа простым в техническом отношении разрядом.

Принципиально возможно выполнение подобных экспериментов в широком диапазоне длин волн, прежде всего в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой областях спектра, путем подбора молекулярной активной среды и соответствующего источника атомарного излучения.

Использование предлагаемого способа получения лазерного излучения на связанно-свободных переходах молекул обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

снижение пороговых значений заселенности лазерных уровней, что может быть эффективно использовано при разработке действующих устройств;

эффективное использование заселенности лазерных уровней (значительное снижение потерь на спонтанное излучение) и, следовательно, повышение КПД источника;

возбуждение газа сравнительно простым в техническом отношении способом и возможность относительно просто наращивать длину активной среды;

осуществление непрерывного режима излучения.