Ю. Е. Гаврилова,  В. С. Зродников,  А. Д. Клементов, А. С. Подсосонный

ЭКСИМЕРНЫЙ   HgJ - ЛA3EP,   ВОЗБУЖДАЕМЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ   РАЗРЯДОМ

Описан HgJ*- лазер, накачиваемый поперечным электрическим разрядом с фотоионизацией. Генерация наблюдалась на длинах волн 441,4, 443, 444 и 445 нм. Энергия в импульсе достигала 3 мДж. Измерены временные зависимости интенсивности лазерного излучения, тока разряда и напряжения на электродах. Обсуждается положительная роль молекул N₂(A³Σ_U) в заселении верхнего лазерного уровня. Уменьшение энергии генерации при увеличении концентрации азота в смеси связывается с процессами девозбуждения молекул N₂(A³Σ_U) в парных соударениях.

Недавно появились сообщения [1, 2] о создании лазеров на парах галогенидов ртути, излучающих в видимой области спектра: λ = 443 нм (HgJ*), 502 нм (HgBr*) и 558 нм (HgCl*). Интерес к этим лазерам обусловлен высоким ожидаемым КПД, большой импульсной мощностью и возможностью реализации импульсно-периодического режима работы.
В настоящей работе описан возбуждаемый поперечным электрическим разрядом лазер, излучающий на электронном переходе В→Х радикала HgJ*, образующегося в разряде при диссоциации молекул HgJ₂.
Разрядная камера лазера была изготовлена из фторопласта-4, торцевые фланцы и разрядные электроды длиной 80 см и диаметром 2 см — из нержавеющей стали. Расстояние между электродами составляло 2,5 см. Предварительная ионизация разрядного промежутка осуществлялась двумя источниками УФ излучения, расположенными симметрично на расстоянии 4 см от центра разрядного промежутка, каждый из которых представлял собой стеклянную трубку, по поверхности которой возбуждалось 35 искровых каналов. Необходимое количество соли HgJ₂ вносилось внутрь камеры, камера откачивалась и заполнялась смесью гелия и технического азота до давления 1,2 атм. Для создания рабочего давления паров HgJ₂ камера нагревалась электрической печью до 180 - 200 °С. Температура камеры во время экспериментов поддерживалась на за­данном уровне с точностью ± 2 °С.
Электрическая схема питания лазера представлена на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема питания лазера:
1 — лазерная камера
2 — печь
3 — генератор запуска
4 — блоки поджига
C₁ = 200 нФ (2 шт. КМК 50-0,1); С₂ = 90 нФ (9 шт. K15-10); С₃ = 100 нФ (КПМ 50-0,1)

Для уменьшения индуктивности электрических контуров конденсаторы подсоединялись к электродам разрядной камеры широкими шинами. Коммутация производилась малоиндуктивными управляемыми разрядниками Р₁ и Р₂. Запуск разрядника основного разряда Р₁ мог быть задержан относительно запуска разрядника предыонизации Р₂ на время от 0 до 50 мкс с точностью 0,1 мкс. Резонатор лазера был образован внешними сферическими зеркалами с радиусом кривизны 10 м и коэффициентами отражения 98 и 90 %, расположенными на расстоянии 1,5 м. Кварцевые окна на торцах камеры не юстировались.
Интегральный за время импульса спектр генерации регистрировался с помощью спектрографа ИСП-30. Анализ спектрограмм показывает, что с точностью до разрешающей способности используемого прибора в спектре генерации присутствуют четыре линии с длинами волн 441,4, 443, 444 и 445 нм, причем основная доля излучения сосредоточена в линиях 443 и 444 нм. Ширина указанных линий, обусловленная неразрешенной колебательной структурой, составляет 0,7 и 1,1 нм соответственно. Энергия лазерного излучения измерялась калориметром ИМО-2, ее максимальное значение составляло 3 мДж. Временная зависимость интенсивности лазерного излучения, измеренная с помощью фотоэлемента ФЭК-15, а также временные зависимости разрядного тока и напряжения на электродах камеры представлены на рис. 2.

Рис. 2. Временные зависимости напряжения на электродах разрядной камеры (1), разрядного тока (2) и интенсивности лазерного излучения (3)

Измерения показали, что максимальные значения разрядного тока достигали 100 кА, напряжение на электродах 16 кВ. Основная доля энергии накачки вводилась в разряд за время ~ 100 нс и составляла ~ 50 Дж. Оценка величины КПД лазера дает значение 6 * 10^-3 %, что согласуется с данными работы [2].
В нашей работе, как и в [12], генерация не была получена при использовании чистого гелия в качестве буферного газа. Найденный экспериментально оптимальный состав смеси соответствует 86 % Не, 10 % N₂ и 4 % HgJ₂. Изменение концентрации азота в смеси приводило к резкому снижению энергии генерации.
Анализируя влияние азота на работу HgJ*- лазера, автор [12] указывает на два процесса, влияющих на создание инверсной населенности. Положительная роль малых добавок азота сводится к опустошению нижнего лазерного уровня HgJ (v = 15) в процессе:

N₂(v = 1) + HgJ(v = 15) → Hg + J + N₂(v = 0) + 0,145 эВ.

Уменьшение энергии генерации с увеличением содержания азота в смеси автор [12] связывает с процессом тушения верхнего лазерного уровня при соударениях HgJ* с молекулами азота. Однако этот процесс, по-видимому, мало эффективен из-за его малой константы скорости тушения, которая, как найдено в [3], составляет 10^-12 см³ с^-1.
Наличие оптимальной концентрации азота для создания инверсии населенностей в лазерной смеси можно объяснить процессами возбуждения HgJ*(В) в результате парных соударений с молекулами азота, возбужденными в состояние A³Σ_u:

N₂(A³Σ_u ) + HgJ₂ → HgJ*(B) + J + N₂ (¹X_g).

Подобный процесс возбуждения верхнего лазерного уровня HgBr *-лазера на парах HgBr₂ обсуждается в работах [4, 5], где отмечается его высокая эффективность. Таким образом, при рассмотрении влияния примеси азота на работу HgJ*- лазера необходимо учитывать процессы возбуждения и девозбуждения молекул N₂(A³Σ_u). Расчеты, выполненные с использованием данных, представленных в работах [6—8], показывают, что для условий эксперимента основным фактором, ограничивающим концентрацию азота в смеси, являются парные соударения

N ₂(A³Σ_u) + N ₂(A³Σ_u) → N ₂(B³ П_g) + N ₂(¹X_g)

N ₂(A³Σ_u) + N ₂(A³Σ_u) → N ₂(C³ П_u) + N ₂(¹X_g),

имеющие константы скорости передачи возбуждения 1,5*10^-9 и 4,6 * 10^-9 см³/с соответственно [8].
Данная конструкция лазера позволяла получать до 100 импульсов генерации без обновления смеси, после чего генерация исчезала. Одной из возможных причин этого является, по нашему мнению, поглощение на длине волны генерации, вносимое молекулярным йодом, образующимся в процессе работы лазера.

1  Е. J. Sсhimitsсhek, J. E. Celto. Optics Letts, 2, No. 3, 64 (1978).

2  R. Burnham. Appl. Phys. Letts, 33, 156 (1978).

3  R.W. Waynant, J.G. Eden. Appl. Phys. Letts, 34, 324 (1979).

4  W.L. Nighan. Appl. Phys. Letts, 36, 173 (1980).

5  E.J. Schimitschek, J.E. Celto. Appl. Phys. Letts, 36, 176 (1980).

6  A.X. Мнацаканян, Г.В. Найдис. Физика плазмы, 2, 152  (1976).

7  Н.П. Александров, А.М. Кончаков, Э.Е. Сон. ТВТ, 17, 210 (1979).

8  Л. С. Полак, Д. И. Словецкий, А.Д. Урбас, Т.В. Федосеева. Химия плазмы, № 5, 242 (1978).