1.9. Эксимерные лазеры

Х +2Х Х +Х,

Х +Y ХY +Y,

Х +У +е ХУ +У.

Рабочей частицей в эксимерных лазерах являются молекулы — димеры некоторых благородных газов и их галоидов, способные существовать устойчиво только в возбужденном состоянии. Это обстоятельство объясняет их название excited dimmer, т.е. димеры в возбужденном состоянии. Механизмы создания инверсной заселенности эксимерных лазеров иллюстрируются схемой электронных уровней димера ХУ (Хсоответствует атомам благородных газов: Хе, Kr, Ar, а Y — галогенам F, Cl, Br и т. д.) (рис. 39). Основное состояние молекулы ХУ неустойчиво, т.е. характеризуется отталкивательным термом. Потенциальная яма, свидетельствующая о возможности появления устойчивого состояния, образуется только при возбуждении молекулы. Создание возбужденных молекул Х и ХУ возможно следующими способами:

(1.52)

Е,эВ 3

~

~

2

~г,~]з

, 578 нм

I 1 ! I 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 !

511 нм

Си

Рис. 38

3/2,5/2

тушение

на

стенке

2

~|/г

Рис. 39

Времена жизни возбужденных молекул Х , или ХУ относительно радиационных процессов составляет 10 -10 с. Оказавшись в основном состоянии, молекула распадается. Поэтому радиационное разрушение верхнего уровня происходит по схеме

XY или X (1.53)

Развал молекулы в основном состоянии обеспечивает автоматическое опустошение нижних лазерных уровней. Из-за отталкивательного характера нижнего терма генерация эксимерных лазеров, как видно на рис. 39, может осуществляться в широкой полосе длин волн. Отличительной чертой эксимерных лазеров являются также весьма высокие значения квантового КПД.

Характеристики лазерных переходов эксимерных лазеров приведены в табл. 5.

Широкая линия усиления, малое время жизни верхнего лазерного уровня, а также необходимое для эффективного протекания процессов (1.52) высокое давление рабочей смеси приводят к необходимости осуществления высокой интенсивности накачки с энерговкладом 0.1-1 Джlсм за время 0,1-1 нс. Возбуждаемые электронным пучков по схеме лазеры на димерах благородных газов работают на однокомпонентных средах при давлениях 10 атм и позволяют получать мощность излучения в импульсе до 10 -10 Вт при КПД до 20%.

Возбуждение лазеров на эксимерах галоидов инертных газов можно проводить не только в тройных, но и в бинарных столкновениях (два последних уравнения (1.52)). Это позволяет снизить давление рабочей смеси до 0,5-1,5 атм (инертный газ — 10-100 торр, галогены или галогеноносители типа SF , NF ~ 1-10 торр, остальное буферный газ — Ne или Ar) и использовать для ее возбуждения газоразрядную импульсную технику с предварительной ионизацией разрядного промежутка. Энергия таких эксимерных лазеров в моноимпульсе может достигать ~ 100Дж (KrF) при КПД ~2% и импульсной мощности Вт.

Газоразрядный способ возбуждения позволяет осуществлять и импульсно- периодический режим генерации эксимерных лазеров. Достигнутая в настоящее время частота повторения импульсов составляет ~100 -1000 Гц при средней мощности излучения ~10-100 Вт и КПД~ 1%.

Интерес, проявляемый в последнее время к развитию техники эксимерных лазеров, обусловлен не только научными, но и практическими перспективами их использования. Эксимерные лазеры являются уникальными источниками мощного излучения в ультрафиолетовой части спектра, обеспечивающими при этом возможность плавной перестройки частоты генерации в широком диапазоне длин волн. Излучение созданных эксимерных лазеров охватывает -20% всей области ультрафиолетового диапазона. Поэтому наиболее плодотворное применение эксимерных лазеров, по-видимому, будет связано с селективными процессами лазерной фотохимии.

Таблица 5. Активные среды эксимерных лазеров

Молекулы	Ar2	Kr2	Xe2	ArF	KrCl	KrF	XeBr	XeCl	XeF
Длина волны центре линии, нм	126.1	146.7	172	193.3	222	248.4	281.8	308	351.1
Ширина ПОЛОСЫ усиления, нм	8	13.8	20	1.5	5	4	1	2.5	1.5
Длительность им- пульса излучения, нс	15	10	3-20	10-50	10-30	1-100	50	30	1-10
Достигнутые энергии излучения в импульсе, Дж	-	-	0-1	100	0.1-1	100	-	-	0.1-1
Способ возбуждения	П	П	П	П,P	П	П,P	П	П	П,P