1 Особенности работы и применения электроразрядных эксимерных лазеров

1.1 Образование эксимерных молекул

Эксимерные (эксиплексные) молекулы - это молекулы, существующие только в возбужденном состоянии. Основного состояния у таких молекул не существует, поскольку взаимодействие между атомами в невозбужденном состоянии носит отталкивательный характер. Соответственно, при переходе из связанного возбужденного состояния в невозбужденное, молекула распадается с высвечиванием кванта излучения. Этот квант может высветиться спонтанно или индуцировано. Реакцию, отражающую индуцированное излучение, можно записать следующим образом:

XeCl^* + h  Xe + Cl + 2h.

а) Взаимодействие двух систем с замкнутыми оболочками носит отталкивательный характер, в то время как вандерваальсовы и электростатические силы притяжения слишком слабы. Взаимодействие инертных элементов все же может наблюдаться, когда электронная система одного из компонентов возбуждена или ионизована. В этом случае объединение электронных оболочек двух систем представляется возможным потому, что термы возбужденных систем имеют потенциальную яму, в которой на межъядерном расстоянии находятся компоненты системы [6].

б) Потенциал взаимодействия между атомами эксимерной молекулы имеет следующий вид, представленный на рисунке 1. Термы показывают уровень возбуждения эксимерной молекулы и потенциальную яму. Верхний терм имеет потенциальную яму, благодаря чему инертный газ и галоген некоторое время находятся в связанном состоянии. Известно, что время жизни XeCl^* молекулы составляет ~ 10^-8 с. Верхнее связанное состояние представляет из себя два состояния В и С, эксимерные молекулы находятся в термодинамическом равновесии в состояниях В и С. Верхнее состояние имеет колебательные уровни, причем в отсутствие индуцированного и

см^-1 10³

злучения молекулы заселяют уровни согласно распределению.

Р

R(Ǻ)

исунок 1 –Энергетические уровни молекулы XeCl*

Нижний терм молекулы практически не имеет потенциальной ямы и называется разлетным термом. Он представляет из себя разлётный терм А и слабо-связаный терм Х, последний имеет маленькую потенциальную яму, в которой еще сохраняется молекула на 1-2 соударения. Вероятность перехода ВХ >> вероятности перехода СА, поэтому на ВХ легче получить генерацию, однако настройкой резонатора на квант энергии перехода СА также получают лазерное излучение, но для этого используют более мощную накачку, а интенсивность выходного лазерного излучения получается много меньше [7].

Молекула состоит из положительного иона инертного газа и отрицательного галогена. В целом молекула имеет нейтральный заряд. Пара ионов может образовывать только возбужденную молекулу, т.к. потенциальная энергия ионной пары выше потенциальной энергии нейтральных атомов. Тем не менее, возбужденное ионное состояние имеет достаточно низкую энергию, что предохраняет его от возмущений более возбужденными состояниями и от предиссоциации. Характер связи определяется электростатическими силами.

В эксимерных лазерах на галогенидах инертных газов применяются различные смеси газов так, чтобы кинетика реакций с участием этих компонентов способствовала эффективному образованию рабочих молекул. Например, смесь газов в электроразрядном XeCl* лазере состоит из Ne, Xe и HCl в примерном отношении 1000:5:0,5.

Кинетика реакций в лазере на молекуле XeCl достаточно сложна. Участие в процессах многих частиц, и их продуктов - различных ионов, возбужденных частиц, всевозможных соединений этих элементов вызывает сотни реакций, каждая из которых характеризуется своей скоростью. Естественно, что абсолютно все реакции, протекающие в лазерной среде учесть невозможно, поэтому ограничиваются некоторым конечным набором реакций, имеющих значительное воздействие на процессы в активной среде. Но это всего лишь модель реальности, которая позволяет с некоторой точностью предсказать поведение активной среды. Например, модели современных исследований насчитывают до 400 реакций, которые разделены на группы по определенному признаку - единому физическому принципу данной группы. Выделяют 8 основных групп плазмо-химических реакций.

а) Таунсендовская ионизация - основная реакция, вызванная электрическим разрядом:

Xe + e  Xe⁺ + 2e.

При концентрации электронов менее 10¹³ см^-3 идет только таунсендовская ионизация, а ступенчатая ионизация начинает доминировать после 10¹⁴ см^-3, поскольку накапливается Xe^*. При ступенчатой ионизации возможен рост концентрации электронов в плазме при уменьшающейся напряженности электрического поля.

б) Возбуждение уровней HCl. Колебательные уровни HCl возбуждаются электронами с малой энергией

HCl₍₀₎ + e  HCl_(i) + e,

поэтому происходит увеличение концентрации молекул HCl₍₁₎, HCl₍₂₎ и HCl₍₃₎, а плотность молекул HCl₍₀₎ убывает.

в) Диссоциативное прилипание:

HCl_(i) + e  H⁺ + Cl^-.

Реакция каждого i-го уровня молекулы HCl_(i) характеризуется определенной скоростью процесса. Обозначим константы скоростей реакций K_i для каждого i-го уровня молекулы HCl_(i). Следующее соотношение K_пр⁽⁰⁾<K_пр⁽¹⁾<<K_пр⁽²⁾<<K_пр⁽³⁾ реакция с более высокого i-го состояния идет намного быстрее, чем с нижнего.

Динамика взаимодействия молекулы HCl c электроном выглядит так:

1) Изначально имеется только концентрация молекул HCl₍₀₎;

2) Затем с ростом концентрации электронов увеличивается количество возбужденных молекул HCl_(i) (2-я группа реакций);

Скорость гибели электронов сильно возрастает с ростом концентрации HCl_(i) ввиду больших скоростей реакций с высших i-ых состояний.

В стационарном состоянии скорость рождения и гибели электронов равны, т.е. dn_e/dt=0. Развитие разряда характеризуется ростом концентрации электронов dn_e/dt>0, однако одновременно с развитием разряда происходит нарастание прилипания – уход электронов из плазмы. Но скорость ионизации в плазме продолжает увеличиваться за счет включения ступенчатой ионизации.

г) Ион-ионная рекомбинация. Сечение столкновения положительного иона Хе⁺ и отрицательного Сl^- очень велико благодаря кулоновской силе притяжения.

Реакция Xe⁺ + Cl^-  XeCl^** - играет существенную роль в образовании эксимерных молекул несмотря на то, что концентрации ионов Xe⁺ и Cl^- в плазме сравнительно невелики. Молекула XeCl^** образуется на высших возбужденных уровнях в соответствии с полной энергией системы состоящей из двух заряженных ионов Xe⁺ и Cl^-. Такое состояние очень неустойчиво, вернее пока отдельные ионы находятся на расстоянии порядка 1Å считают, что они находятся в состоянии XeCl^**. При этом если система не потеряет часть энергии отталкивающие силы не позволят ионам образовать связь, т.е. оказаться в потенциальной яме. Потерять энергию молекула может в результате столкновения с некоторой частицей XeCl^** + M  XeCl_(в) + kT.

В качестве М может выступать любая частица, но в основном эту роль играет Ne:

XeCl^** + Ne  XeCl_(в) + kT.

Все условия должны быть такими, чтобы нарабатывалась максимальная концентрация рабочих эксимерных молекул XeCl_(в), т.е. константа скорости этой последней реакции должна быть достаточно велика, чтобы успеть до разлета ионов осуществить реакцию.

Неон легко вступает в реакцию с ксеноном: Xe⁺ + Ne  XeNe⁺,

т.к. энергетически такое связанное состояние более выгодно. Эта реакция идет с большой скоростью.

Значительное влияние оказывают следующие реакции:

Xe⁺ + Xe  Xe₂⁺,

XeNe⁺ + Cl^-  XeCl^** + Ne,

причем последняя реакция вносит вклад в образование рабочих молекул.

д) Ионизация и диссоциация молекулы HCl.

HCl + e  HCl⁺ + 2e - ионы молекулы HCl не принимают участие в образовании полезных молекул.

HCl₍₀₎ + e  H + Cl + e - еще более неприятная реакция, т.к. для ее осуществления требуются электроны с малой энергией. Конечно, эти реакции обратимы, но не за время накачки.

Отрицательные эффект имеет образование устойчивой молекулы Cl + Cl  Cl₂, которая достаточно агрессивно реагирует с примесями и стенками камеры и безвозвратно теряется из лазерной смеси. Кроме того она поглощает лазерное излучение, т.е. снижает энергосъем с устройства.

е) Тушение молекулы:

XeCl^* + M  Xe + Cl + M.

В качестве М может выступать любая частица: атом, молекула или ион. Если скорости реакций этой группы окажутся высокими, то будет видно явное отрицательное влияние.

ж) Поглощение лазерного кванта. HCl, Xe^*, Xe⁺ имеют поглотительные уровни энергии соответствующие энергии квантов излучения эксимерных молекул. Чем меньше будет их концентрация в плазме, тем меньше будет поглощение, и как следствие больше энергосъем. Эти компоненты появляются в плазме в процессе накачки, и при большой энергии накачки ограничивают мощность излучения сверху.

к) Спонтанный распад рабочих молекул XeCl_(в,с).

XeCl^*  hν + Xe + Cl.

Время жизни молекулы XeCl_(в,с) составляет τ = 13 нс. Пока не произошел распад необходимо индуцированно снять с нее возбуждение. Регулировка этого процесса - настройка резонатора, добротность которого должна быть достаточной для создания фотонной лавины и получения лазерного излучения.

Столкновения незаряженных частиц и образование молекулы XeCl**:

Xe* + HCl₍₁₎  XeCl** + H (1.1)

Основные реакции ион-ионной рекомбинации с образованием XeCl**:

Xe⁺ + Cl^-  XeCl** (1.2) NeXe⁺ + Cl^-  XeCl** + Ne (1.3)

В разряде имеется два основных процесса образования эксимерной молекулы XeCl*. Первым таким процессом считают ион-ионную рекомбинацию положительных атомных или молекулярных ионов благородных газов и отрицательных ионов галогена (2, 3). Константы скоростей этих реакции очень высоки, ввиду кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов.

В результате ион-ионной рекомбинации образуется неустойчивый комплекс XeCl**. Вернее считается, что существует XeCl**, пока Xe⁺ и Cl^- находятся на расстоянии порядка межатомного, поскольку кинетической энергии Xe⁺ и Cl^- достаточно, чтобы разлететься. Фактически для образования эксимерной молекулы XeCl(b, c) необходимо, за то время пока Xe⁺ и Cl^- находятся на межатомном расстоянии отвести излишнюю энергию из состояния XeCl** столкновением с какой-нибудь частицой. Чаще всего такой частицей является атом буферного газа неона. Реакции колебательной релаксации обеспечивают такое девозбуждение, имея высокие константы скоростей.

Молекула XeCl** может быть сформирована в результате столкновений возбужденных частиц:

Xe* + HCl^*  XeCl** + H .

Константы скоростей этих реакций на 3 порядка меньше констант ион-ионной рекомбинации, однако, эти реакции имеют значительное влияние из-за более высоких концентраций реагирующих компонентов по сравнению с ион-ионной рекомбинацией. Также как и в первом случае необходимо релаксировать энергию XeCl** до состояния XeCl(b, c).

На рисунке 2 приведена диаграмма потенциальной энергии молекулы KrF. Верхний лазерный уровень является состоянием с переносом заряда и ионной связью, которое на большом расстоянии (при R = ∞) отвечает состоянию ²P положительного иона Kr и состоянию ¹S отрицательного иона F.

Рисунок 2 – Энергетические уровни эксимерного лазера на молекуле KrF

Поэтому энергия при R = ∞ равна потенциалу ионизации атома криптона минус сродство атома фтора к электрону. При больших межъядерных расстояниях кривая энергии подчиняется закону Кулона. Таким образом, потенциал взаимодействия между двумя ионами простирается на гораздо большее расстояние (5-10 Ǻ), чем в случае, когда преобладает ковалентное взаимодействие. Нижнее состояние имеет ковалентную связь и при R = ∞ отвечает состоянию ¹S атома криптона и состоянию ²P атома фтора. Таким образом, в основном состоянии атомные состояния инертного газа и галогена меняются местами. В результате взаимодействия соответствующих орбиталей, верхнее и нижнее состояния при малых межъядерных расстояниях, расщепляются на состояния на несколько подуровней. Генерация происходит на переходе 2Σ→2Σ, поскольку данный переход имеет наибольшее сечение. Заметим, что при переходе излучающий электрон передается от иона F^- иону Kr⁺ [8].

Образование эксимерных молекул происходит в разрядной или пучковой плазме за счет кинетических процессов (рисунок 3). Выделяются основные реакции, которые отвечают за образование эксимерных молекул в разрядном KrF лазере [8]. Обычно разряд зажигается в газовой смеси Ne-Kr-F₂, при этом происходит возбуждение и ионизация частиц электронным ударом:

e + F₂ = F^- +F,

e + Kr = Kr^*+e,

e + Kr = Kr⁺+2e,

В результате взаимодействия этих частиц образуется эксимерная молекула KrF^*.

Kr⁺+F^- + Ne = KrF^* + Ne,

Kr^* + F₂ = KrF^* +F

Далее, засчет столкновительного тушения другой частицей, спонтанного или индуцированного высвечивания, происходит диссоциация молекулы на атомы Kr и F. Поскольку лазерное излучение – это индуцированное излучение, то важен процесс, который идет по реакции:

KrF^*+hν = KrF + 2hν

с высвечиванием кванта света с энергией hν на длине волны 248 нм.

Так как время жизни верхнего лазерного уровня мало (5…10 нс), то такой лазер работает только в импульсном режиме и длительность импульса генерации составляет десятки наносекунд.

Электрический разряд

Инверсная населенность

Столкновение с атомом Ne

Фотон

Время релаксации ~100 мс

Рисунок 3 – Схема основных кинетических процессов в KrF лазере