На правах рукописи

Ямпольская Софья Александровна

КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ РАЗРЯДА НАКАЧКИ XeCl-ЛАЗЕРА И

ИХ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.13 — электрофизика, электрофизические установки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск — 2007 2

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники СО РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук А.Г. Ястремский

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Климкин В.М. (Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск) кандидат физико-математических наук Соснин Э.А. (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск)

Ведущая организация: Институт лазерной физики СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится « » 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 003.031.01. в Институте сильноточной электроники СО РАН (634055 г. Томск, пр. Академический, 2/3)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор Д.И. Проскуровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксимерный лазер на молекуле XeCl является мощным источником интенсивного ультрафиолетового излучения. Тридцатилетняя история его исследований позволила достичь большого прогресса в этой области. На сегодняшний день реализованы как частотные, так и моноимпульсные режимы с генерацией в диапазоне длительностей от десятка до нескольких сотен наносекунд. Большинство лазерных установок, работает в диапазоне удельной энергии излучения 2 – 3.5 Дж/л при эффективности 2 – 3 %. Однако есть сообщения о полученной удельной энергии излучения превышающей 7 Дж/л1 и эффективности относительно вложенной энергии 5 %2. Широкий диапазон возможных характеристик излучения, а так же длина волны = 0,308 мкм, позволяют XeCl-лазеру находить применение в различных областях индустрии, медицины, а так же делают его мощным инструментом научных исследований.

Для накачки XeCl-лазера используется объемный электрический разряд в трехкомпонентной смеси газов Ne/Xe/HCl с концентрацией электронов 1015 см3. В такой плазме происходит большое число кинетических реакций. Конечным результатом является то, что часть энергии накачки преобразуется в лазерное излучение, а остальная энергия по разным каналам переходит в тепло. Проблема прогнозирования характеристик лазерного излучения, а также создания лазеров с максимальной энергией излучения и эффективностью, сводится к изучению процессов, по которым энергия накачки преобразуется в лазерное излучение, а так же выяснению физической возможности снижения потерь энергии в плазме.

В опубликованных работах по моделированию XeCl-лазера к настоящему времени, определены основные процессы, происходящие в плазме, получены расчетные зависимости концентраций частиц, мощности и энергии излучения для ряда режимов с определенными начальными параметрами накачки, проведена оптимизация некоторых лазерных систем. При этом остается неизвестным, как изменение рабочих условий влияет на процессы в разрядной плазме и как, в свою очередь, от происходящих в плазме процессов зависят характеристики лазерного излучения.

Riva R., Legentil M., Pasquiers S., Puech V. Experimental and theoretical investigations of a XeCl phototriggered laser // J. Phys. D: Appl. Phys. — 1995. — V. 28. — P. 856-872.

Makarov M., Bonnet J., Pigache D. High efficiency discharge-pumped XeCl laser // Appl. Phys. B. — 1998. — V. 66. — P. 417-426.

Цель работы. Провести анализ динамики процессов в плазме разряда накачки во всем диапазоне рабочих условий XeCl-лазера. Обосновать возможность получения максимальных характеристик излучения. Выявить процессы, в которых происходят потери энергии в плазме и влияние на них начальных параметров.

Задачи исследований:

• Провести моделирование режимов накачки XeCl-лазера, отличающихся длительностью импульса возбуждения, мощностью и вложенной энергией.

Выявить зависимости характеристик излучения от начальных параметров.

• Определить временные зависимости скоростей процессов рождения и гибели электронов и эксимерных молекул.

• Выявить основные процессы, в результате которых происходит потеря • Определить процессы, влияющие на время запаздывания начала генерации запаздывания генерации.

• Определить скорости реакций, в которых происходит разрушение молекул HCl, выяснить возможность уменьшения потерь.

• Выяснить возможность увеличения удельной энергии излучения.

моделирование режимов накачки, отличающихся мощностью накачки, длительностью импульса и составом газовой смеси. Получение временных зависимостей:

концентрации электронов, возбужденных и нейтральных частиц, скоростей основных реакций, распределений поглощенной мощности и энергии по процессам.

Положения, выносимые на защиту 1. Энергия излучения определяется начальной концентрацией молекул HCl в газовой смеси и эффективностью их преобразования в фотоны индуцированного излучения.

С увеличением концентрации молекул HCl происходит снижение эффективности их преобразования в фотоны. Оптимальная энергия накачки, при заданной концентрации молекул HCl, соответствует условию, при котором выгорание молекул HCl составляет ~ 80% от начального их значения. Более высокая энергия накачки дает малое приращение энергии излучения и снижает эффективность лазера.

2. В широком диапазоне параметров: удельной энергии накачки (60 360) мДжсм-3, мощности (0.5 6.0) МВтсм-3 и длительности импульса (20 150) нс, энергия создания эксимерных молекул составляет (47 ± 3)% вложенной энергии.

Оставшаяся часть энергии переходит в тепло по трем каналам в следующем соотношении: процессы тушения возбужденных уровней Xe и HCl ( 30 %), преобразование атомарных ионов Xe+ в молекулярные NeXe+ ( 15 %) и рекомбинация электронов ( 7 %).

3. Энергия возбуждения молекул XeCl(B,C) и XeCl(B0,C0) составляет ~ 16 % от энергии накачки. Тушение этих молекул происходит в столкновениях с электронами, молекулами HCl(v) и атомами неона. Суммарные потери энергии в процессах тушения соизмеримы с энергией индуцированного излучения при оптимальных условиях накачки, и возрастают с увеличением концентрации электронов.

4. Кинетические процессы в плазме разряда накачки XeCl-лазера позволяют увеличить удельную энергию излучения до 10 Дж/л при эффективности излучения 1.3 %.

Дальнейшее увеличение энергии накачки и содержания HCl, ведет к снижению эффективности.

Достоверность, полученных результатов, подтверждается согласием расчетных зависимостей от времени тока разряда, напряжения на плазме, мощности излучения, а так же значений энергии излучения в широком диапазоне условий: мощности накачки 0.5 – 6 МВтсм-3, давления 2 – 6 атм, длительности импульса 20 – 150 нс и вложенной энергии 50 – 350 мДжсм-3, с экспериментальными данными, полученными в работах1, [2, 10, 17], а также с расчетными результатами других авторов1.

Научная новизна работы 1) Впервые с использованием одной модели проведено моделирование процессов протекающих в плазме разряда накачки XeCl-лазера в диапазоне мощностей накачки 0.5 – 6 МВтсм-3, длительностей импульса 20 – 150 нс и вложенной энергии 50 – 350 мДжсм-3.

2) Впервые получено распределение энергии вложенной в плазму по процессам создания лазерного излучения и в реакциях тепловых потерь.

3) Впервые обосновано существование придельного значения удельной энергии излучения с увеличением в активной среде содержания HCl.

Научная ценность работы поглощенной энергии в плазме, а так же влияние на них таких параметров как мощность накачки, вложенная энергия и состав смеси.

2) Обоснованы оптимальные соотношения начальной концентрации HCl, вложенной энергии и мощности накачки, необходимые для получения максимальной энергии излучения и эффективности преобразования энергии вложенной в плазму в энергию излучения.

Практическая значимость работы Полученные результаты позволяют:

2. Разрабатывать инженерные методы расчета конкретных лазеров.

3. Проводить обучение студентов и аспирантов по специальностям физика Личный вклад автора заключается в активном участии в постановке задач и целей исследований, проведении расчетов, анализе полученных результатов и формулировке выводов. Все результаты получены лично соискателем или совместно с соавторами при его непосредственном участии.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на следующих конференциях: III, IV, V, VI International Conference “Atomic and Molecular Pulsed Lasers” (Томск 1997, 1999, 2001, 2003), школе-семинаре Сибирского физикотехнического института (Томск, 2000), 5-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology (Томск, 2000), XXVI International Conference on Phenomena in Ionized Gases (Greifswald (Germany), 2003),.XXVII International Conference on Phenomena in Ionized Gases (Eindhoven (the Netherlands), 2005), XIII Международной конференции по методам аэрофизических исследований ICMAR (Новосибирск, 2007).

Основные результаты исследований опубликованы в 13 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками и 8 таблицами.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (69 источников) и приложения (16 страниц).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, их научная новизна, приведена практическая значимость и защищаемые положения.

В первой главе проведен обзор литературы и представлено состояние проблемы исследований. Проведен анализ достигнутых к настоящему времени характеристик XeCl-лазеров. Рассмотрены основные способы накачки. Рассмотрены основные подходы к моделированию электроразрядного XeCl-лазера.

Вторая глава посвящена результатам моделирования XeCl-лазера, на котором была получена в эксперименте рекордная на сегодняшний день удельная энергия излучения 7.6 Дж/л при длительности импульса 50 нс1. Такая удельная энергия превышает типичные значения в два раза. Генерация была получена в условиях повышенного содержания в активной среде донора галогена. Отношение парциальных давлений компонент газовой смеси было равно Ne/Xe/HCl=1000/5/1.7, при полном давлении 6 атм. Представляло интерес выяснить особенности протекания кинетических процессов в плазме для этих условии, а также определить, является ли полученная удельная энергия максимально возможной.

В п. 2.1 рассматриваются условия эксперимента. Представлены результаты расчета во всем диапазоне экспериментальных условий ((Е/N)0 5–30 Тд, давлений 2– атм). Показано, что результаты расчетов и данные эксперимента хорошо согласуются.

П. 2.2 посвящен режиму с максимальной полученной энергией излучения.

Рассмотрены процессы, влияющие на электрические свойства плазмы, а так же кинетика эксимерной молекулы XeCl*.

Представлены (рис. 1) временные зависимости концентраций: электронов, возбужденных атомов Xe*, молекул HCl(0) в основном состоянии и HCl(v) в N, см 1E 1E 1E Рис. 1. Концентрации частиц: 1 - электроны, Рис. 2. Частоты (количество актов колебательно возбужденном состоянии. А также частоты (количество актов приходящихся на один электрон) (рис. 2) прямой и ступенчатой ионизации, суммарной частоты прилипания электронов к молекулам HCl(0) и HCl(v) и частоты рекомбинации.

Выявлено, что в рассматриваемом режиме большая концентрация электронов до 6· см3, быстрый рост концентраций Xe* и HCl(v) и сильное (90%) выгорание HCl за время импульса накачки.

В начальной стадии (до 10 нс), рост концентрации электронов до уровня 1013 см осуществляет прямая ионизация. За последующие 10 нс происходит переход от прямой к ступенчатой ионизации и свойства плазмы качественно изменяются. Ступенчатая ионизация снижает энергетическую цену ионизации. При максимальной мощности накачки 6.2 МВсм-3 и скорости ионизации равной 2.4·1024 с1см3 расход энергии накачки на одну ионизацию составляет 16 эВ, что соизмеримо с потенциалом ионизации атома ксенона 12.2 эВ, поэтому эффективность создания иона Xe+ очень высокая.

диссоциативного прилипания к молекулам HCl. Частота прилипания полностью определяется концентрацией колебательно-возбужденных молекул HCl(), прилипание к которым во много раз выше, чем прилипание к основному состоянию HCl(0).

Поэтому рост скорости ионизации обеспечивает одновременный рост скорости возбуждения молекул HCl() и это создает условия для высокой скорости создания положительных и отрицательных ионов Xe+ и Cl.

Здесь же, рассматриваются процессы с участием молекулы XeCl*. Около 90% молекул XeCl* создается в реакции ион-ионной рекомбинации с участием NeXe+ и Cl-.

Эксимерные молекулы рождаются в колебательно возбужденных состояниях XeCl** на уровнях с энергией 8 эВ и выше. Сталкиваясь с атомами Ne, они релаксируют на нижние колебательные уровни XeCl(В) и XeCl(С), а затем на уровни В0 и С0. Система уровней находится в связанном состоянии. До начала генерации скорости переходов между уровнями В, В0, С и С0 в несколько раз больше, чем скорость релаксации на них с верхних уровней XeCl**. После достижения порога генерации возникает отток энергии с уровня XeCl(В0). Энергия с остальных уровней XeCl(В, С, С0) начинает передаваться на уровень XeCl(В0). Таким образом, поскольку мощность возбуждения распределяется по четырем уровням, а инверсная населенность создается только на уровне XeCl(B0), необходима большая мощность для преодоления порога генерации.

Это является одной из причин большого времени запаздывания генерации в XeClлазере.

Тушение эксимерных молекул на всех уровнях XeCl(В, В0, С, С0) значительно снижает эффективность лазерного излучения. Тушение происходит в результате столкновений с электронами и тяжелыми частицами (в основном с HCl(v) и Ne). До начала лазерной генерации до 90 % всех созданных молекул XeCl* гибнет в реакциях тушения. По мере увеличения интенсивности излучения в резонаторе, увеличивается вероятность индуцированного излучения. Это снижает концентрацию XeCl(В0) и остальных связанных с ним уровней XeCl(В, С, С0). В результате происходит снижение скорости тушения возбужденных эксимерных молекул. После этого 60% энергии возбуждения молекул XeCl* переходит в энергию индуцированных фотонов. При этом 25% всех молекул XeCl* гибнет в столкновениях с электронами и 15% в столкновениях с тяжелыми частицами (рис. 3).

В п. 2.3 представлен анализ распределения поглощенной энергии в плазме по основным процессам. За время всего импульса накачки, 80% энергии передается на возбуждение Xe и HCl. Энергия (18%), расходуется в процессах ступенчатой ионизации. Оставшаяся часть 2-3% энергии расходуется на возбуждение и ионизацию других частиц.

гибели молекулы XeCl*: 2 – тушение электронами, 3 - тушение тяжелыми частицами, 4 - индуцированное излучение.

вложенной энергии.

В актах электрон-ионной рекомбинации гибнет ион NeXe+ с энергией 11 эВ и рождается возбужденный атом Xe* с энергией 9.9 эВ. Энергия порядка 1 эВ уходит в тепло. В максимуме тока потеря 1 эВ со скоростью 2.51024 см-3с-1, дает 0.4 МВт мощности уходящей на нагрев газа. За весь импульс накачки в процессах рекомбинации в тепло уходит 10% от вложенной энергии.

Из-за высокого содержания Ne в активной среде, в плазме с высокой скоростью происходят реакции конверсии атомарного иона Xe+ в молекулярный ион NeXe+.

Реакция идет с потерей энергии 1.2 эВ в каждом акте. Полные потери за весь импульс возбуждения в таких реакциях составляют 14% энергии накачки.

Только часть энергии молекул XeCl** переходит в индуцированное излучение, остальная теряется в процессах их релаксации на уровни XeCl(В, В0, С, С0) и тушения молекул XeCl(В, В0, С, С0), которое происходит при столкновении с электронами и тяжелыми частицами (рис. 5). Основная доля потерь энергии приходится на релаксацию эксимерных молекул с верхних колебательных уровней XeCl** на уровень XeCl(B0). Так теряется 31% энергии накачки.

Представленные на рисунке 5 зависимости показывают, что суммарные потери индуцированного излучения. Процессы тушения снижают эффективность лазера, Рис. 4. Мощность создания XeCl** – 4; мощность Рис. 5. Мощность индуцированного уходящая в тепло в реакциях: тушения HCl(v), излучения – 1; мощность теряемая в HCl* и Xe* – 1, рекомбинации – 2, конверсии Xe+ процессах: 2 – тушения XeCl*, 3 – релаксации Рис. 6. Зависимость энергии излучения (а), эффективности (б) и степени выгорания HCl от мощности накачки для газовой смеси Ne:Xe:HCl: 1 - 1000:5:0.85, 2 - 1000:5:1.7, 3 - 1000:5:3.4.

примерно в два раза. Процессы тушения электронами создают большую часть потери мощности, чем процессы тушения тяжелыми частицами. При этом частицами, участвующими в тушении, в основном, являются молекулы HCl.

Потери мощности в реакциях поглощения лазерных фотонов в полтора раза превышают выходную мощность лазера. Частицами, создающими наибольшее определяемая, как отношение максимальных значений мощности генерации к мощности накачки составила 2.6%.

В п. 2.4 обсуждается возможность увеличения энергии излучения при увеличении содержания HCl в смеси. Зависимости энергии излучения от удельной мощности накачки для разных парциальных давлений HCl, представлены на рис. 6(а).

Для смеси 1000:5:0.85, максимальная энергия составляет 5 мДжсм-3. Увеличение концентрации HCl в два раза позволяет поднять энергию излучения до 8 мДжсм-3. При увеличении HCl еще в два раза максимальная лазерная энергия возрастает до 10 мДжсм-3.

Таблица 1. Число частиц необходимое для создания одного кванта излучения Последовательность преобразования молекул HCl в кванты излучения показана в таблице 1. Числа в строке показывают число соответствующих частиц необходимых для получения одного лазерного фотона. Данные таблицы 1 соответствуют режимам, в которых получается максимальная энергия. С увеличением концентрации HCl потери молекул HCl, эксимерных молекул и фотонов в среде существенно увеличиваются, и увеличивается число молекул HCl необходимых для получения одного кванта излучения. С увеличением содержания в смеси HCl эффективность уменьшается (рис.

6(б)).

Для каждой смеси максимум излучения достигается, когда выгорает 90% от начального содержания молекул HCl (рис. 6(в)). При дальнейшем увеличении мощности накачки происходит увеличение потерь (тушение возбужденных частиц и поглощение излучения) без увеличения количества эксимерных молекул. Энергия излучения уменьшается.

Третья глава посвящена режимам с короткой длительностью импульсов накачки. Простые электрические схемы, высокие пиковые мощности и возможность создавать лазеры с высокой частотой повторения импульсов делают XeCl-лазеры с длительностями импульсов накачки 20 -30 нс привлекательным инструментом для различных применений.

В п. 3.1 представлены результаты численного моделирования XeCl-лазера с P, MВт см 2. 1. 0. 0. лазерного излучения: 3 - эксперимент, 2 – расчет.

Рис. 8. Траты энергии по основным каналам за весь (рис. 7). Высокие скорости тушения импульс возбуждения (в % от Ен): тушение Xe*, образование XeCl** - 4, релаксация – 5, тушение XeCl* - 6, индуцированное *злучение - 7, кпд. азера - 8.

запаздывания начала генерации. До начала генерации около 75% образовавшихся молекул XeCl* гибнет в реакциях тушения и 3% в процессах спонтанного излучения.

При достижении порога генерации, потери эксимерных молекул в процессах тушения и спонтанного излучения уменьшаются больше, чем в полтора раза.

Распределение энергии накачки по основным процессам показано на рис. 8.

Можно видеть, что на образование эксимерных молекул в плазме было затрачено 48% вложенной энергии.

В п. 3.2 представлены результаты численного моделирования XeCl-лазера с длительностью импульса накачки 20 нс [17]. Представленные результаты были получены для газовой смеси Ne/Xe/HCl=1750/30/2 при общем давлении 3.6 атм. Объем разряда 74 см3. В этом режиме при МВт (рис. 9) и лазерная энергия хорошее согласие.

процессы в активной среде. Показано, Рис. 9. Мощность накачки и мощность излучения что даже с увеличением мощности заметно уменьшить время запаздывания начала генерации. Так при увеличении Pн с МВтсм-3 до 9 МВтсм-3, время запаздывания молекулы XeCl, показал, что с ростом скорости рождения XeCl*, но и скорости их гибели в реакциях тушения. Поэтому Рис. 10. Зависимость удельной энергии уменьшить время запаздывания начала мощности накачки Pн.

генерации путем увеличения скорости нарастания концентрации электронов меньше значений 10-15 нс не представляется возможности уменьшения длительности импульса накачки в обычной двух контурной схеме.

Кроме того, было показано, что в рассматриваемом диапазоне мощности накачки эффективность преобразования вложенной энергии в излучение снижается с ее ростом (рис.10). Причиной такого поведения эффективности является увеличение потерь энергии в процессах рекомбинации, конверсии атомарного иона Xe+ в молекулярный ион NeXe+. Уменьшается часть энергии накачки, которая используется в плазме для образования эксимерных молекул. Так, увеличение концентрации электронов с 51015 см-3 (3 МВтсм-3) до 1016 см-3 (9 МВтсм-3) уменьшает эффективность образования молекул XeCl* с 49% до 33%.

Четвертая глава посвящена результатам численных исследований режима накачки XeCl-лазера с электрической схемой, содержащей полупроводниковый прерыватель тока [2]. Использование таких прерывателей тока позволяет увеличить напряжение на обострительном конденсаторе более, чем в два раза, тогда как двухконтурная схема дает превышение напряжения менее чем в два раза, по сравнению с напряжением основного конденсатора. При срабатывании прерывателя генерируется высоковольтный предымпульс, который позволяет сформировать плазму разряда и создать инверсную населенность за время 10 нс. Дальнейшая накачка активной среды Рис. 11. Мощность накачки - 1 и мощность излучения: 2 - расчет, 3 - эксперимент.

вводимая в разряд и мощность излучения. Первый пик мощности накачки 0.81 МВтсмуже к моменту времени 9 нс создает концентрацию электронов 1.31015 см3 и концентрации молекул HCl() в состоянии колебательного возбуждения увеличиваются до 21016 см3. Основной импульс накачки с мощностью 0.5 МВтсм-3 поддерживает концентрацию электронов на уровне 1015 см3 и обеспечивает эффективную генерацию 150 нс.

Анализ распределения энергии по основным процессам показал, что снижение концентрации электронов до уровня 1015 см3, по сравнению с предыдущими рассмотренными режимами накачки, уменьшает потери энергии в процессах тушения эксимерных молекул. Это позволило получить эффективность от вложенной энергии 4%.

Кроме того, в главе рассматривается влияние времени запаздывания начала генерации на эффективность лазера. С увеличением зарядного напряжения U0 с 25 кВ до 36 кВ, эффективность лазера возрастает от 3.1% до 4%. Показано, что в этом диапазоне увеличения U0 уменьшается время запаздывания начала генерации с 77 нс до 39 нс. В результате этого, уменьшается часть энергии накачки, которая теряется в процессах тушения эксимерных молекул XeCl*. До начала генерации, в режиме с U0 = 25 кВ теряется 6.6% вложенной энергии. Уменьшение времени запаздывания на 40 нс, снижает эту долю почти в 2 раза.

% от Ен Рис. 12. Зависимость от энергии накачки Eн Рис. 13. Зависимость от энергии накачки Eн образование XeCl** – а, тушение Xe*, HCl*,(v) релаксация – а, тушение XeCl* - б, В заключение главы, приводится обобщение результатов полученных во всем диапазоне условий рассмотренных в главах 2, 3 и 4. Приведены зависимости от энергии накачки распределения ее доли по основным процессам, происходящим в плазме (рис.

12, 13). Показано, что в режимах отличающихся длительностью импульса возбуждения, давлением и составом газовой смеси, с изменением энергии накачки в диапазоне 80 – 360 мДжсм-3, сохраняется относительное распределение энергии затраченной в процессах: образования молекул XeCl*, тушения возбужденных уровней Xe*, HCl(v) и HCl*, рекомбинации и конверсии Xe+ в NeXe+.

Уменьшение эффективности с ростом вкладываемой энергии кореллирует с увеличением потерь энергии в процессах тушения эксимерных молекул электронным ударом.

Кроме того, были выявлены еще некоторые закономерности (таблица 2). Во всех режимах, где получена максимальная для данной смеси энергия излучения, на использование одной молекулы HCl затрачена энергия накачки 10 эВ.

С ростом начальной концентрации HCl уменьшается эффективность его использования, т.е. возрастает количество молекул необходимых для образования одного кванта излучения.

Наиболее высокая эффективность получена в режимах с концентрацией электронов 1015 см3. Увеличение концентрации электронов в плазме позволяет получать энергию излучения 5 мДжсм-3 и выше, но приводит к снижению эффективности лазера.

Таблица 2. Основные характеристики некоторых рассмотренных режимов полученные впервые:

колебательным возбуждением происходит одновременно с ростом частоты ступенчатой ионизации. Этим обусловлена большая скорость образования XeCl** молекул и высокая эффективности их создания.

2. Энергия, вложенная в плазму, расходуется по следующим четырем основным каналам - образование эксимерных молекул, тушение возбужденных состояний Xe и HCl, электрон-ионная рекомбинация и конверсия атомарного иона Xe+ в молекулярный ион NeXe+.

3. Значительные потери эксимерных молекул происходят в процессах их тушения электронами и молекулами HCl(v). До начала генерации они составляют 80% всех образованных XeCl*. Начало генерации снижает эти потери до 40%.

4. При увеличении мощности накачки, которое необходимо при малой длительности импульса накачки, тушение электронами становится доминирующим процессом. Это затрудняет формирование фотонной лавины и снижает эффективность лазера.

5. Обоснована возможность увеличения удельной энергии излучения путем одновременного повышения концентрации HCl в газовой смеси и увеличении мощности накачки. При этом увеличиваются потери энергии в процессах тушения, и увеличение удельной энергии излучения происходит при снижении эффективности генерации.

В приложении описывается модель XeCl-лазера, на основе которой, получены все изложенные в работе результаты. Основное приближение – предположение, что во время всей длительности импульса накачки сохраняется пространственная однородность разряда. Кинетика процессов в плазме описывается балансными уравнениями, которые учитывают 229 реакций между 39 частицами. Для определения скоростей процессов с участием электронов решается уравнение Больцмана.

Используется одномерная модель резонатора, в которой лазерное излучение формируется двумя потоками лазерных фотонов направленных на встречу друг другу.

Кроме того, систему уравнений завершают уравнения для цепи накачки, в которые разряд входит как переменное сопротивление.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бычков Ю. И., Макаров М. К., Ямпольская С. А., Ястремский А. Г. 0D Модель XeCl-лазера. Проблема оптимизации разряда накачки // Оптика атмосферы и океана. — 1998. — Т. 11, № 2-3. — С. 149-154.

2. Бычков Ю.И. Горчаков С.Л. Ямпольская С.А. Ястремский А.Г. Электрический разряд накачки XeCl лазера // Известия ВУЗов, серия Физика. — 2000. — №5. — С.76-86.

3. Ямпольская С.А. Расчет пространственно-временных характеристик разряда в активном объеме XeCl лазера // Известия ВУЗов, серия Физика. — 2000. — №9. — С. 108-110.

4. Bychkov Yu., Gortchakov S., Yampolskaya S., Yastremsky A. Experimental and theoretical investigations of a discharge pumped XeCl laser // Proc. V Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology. — Tomsk, 2001. — Р. 316-333.

5. Bychkov Yu. I., Gortchakov S. L., Yastremsky A.G., Yampolskaya S. A. 2D simulation of the plasma channels formation in XeCl discharges // Proc. XXVI ICPIG. — Greifswald, Germany, 2003. — V. 3. — Р. 73-75.

6. Bychkov Yu., Yampolskaya S., Yastremsky A. Influence of Q-factor value of optical resonator on spatial discharge structure and output characteristics of long pulse XeCl laser // SPIE proc. — 2002. — V. 4047. — P. 93-98.

7. Bychkov Yu. I., Gortchakov S. L., Yastremsky A.G., Yampolskaya S. A. Effect of preionization border on development of inhomogeneities in electrical discharge pumped XeCl laser // SPIE proc. — 2002. — V. 4047. — P. 106-112.

8. Bychkov Yu., Baksht E., Panchenko А., Tarasenko V., Yampolskaya S., Yastremsky A.

Formation of pumping discharge of XeCl laser by means of semiconductor opening switch // SPIE proc. — 2002. — V. 4047. — P. 99-105.

9. Bychkov Yu., Yampolskaya S., Yastremsky A. Two-dimensional simulation of initiation and evolution a plasma channel in the XeCl laser pumping discharge // Laser and Particle Beams. — 2003. — V. 21. — P. 233–242.

10. Bychkov Yu.I., Losev V.F., Panchenko Yu.N., Yampolskaya S.A., Yastremsky A.G.

Peculiarities of work of short pulse electrical discharge XeCl laser // Proc. SPIE. — 2003.

— V. 5483. — P. 60–66.

11. Bychkov Yu. I., Gorchakov S. L., Yampolskaya S. A., Yastremsky A. G. Analysis of a short pulse operation of a discharge-pumped XeCl laser // Proc. XXVII Intr. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. — Eindhoven, the Netherlands, 2005. — Р.18-22.

12. Bychkov Yu. I., Losev V. F., Panchenko Yu. N., Yampolskaya S. A., Yastremsky A. G.

Research of short pulse discharge XeCl laser // SPIE proc. — 2004. — V. 5777. — P.

558-561.

13. Bychkov Yu. I., Yampolskaya S. A., Yastremsky A. G. The possibility to obtain the maximum energy of a discharge-pumped XeCl-laser // Proc. XIII Intr. Conf. on Methods of Aerophysical Research. — Novosibirsk, 2007. — V. 2. — P. 47-51.