Возбуждение эксимерного лазера элекронным пучком

При возбуждении эксимерного лазера пучком быстрых электронов величина удельной энергии накачки, вводимой в активную среду лазера, пропорциональна давлению газа, поэтому пороговые условия в данном случае достигаются и результате простого увеличения давления. Так, в случае, если основной механизм потери энергии электронного пучка в газе связан с ионизацией атомов газа при прохождении в нём электронов, то величина удельной энергии Е_н, вводимой в газ, даётся выражением:

(31)

где N_п – плотность электронов в пучке, Z – атомный номер элементов, ε – энергия электронов в пучке, I – энергия связи электронов в атоме, с_п – скорость электронов в пучке, τ – длительность импульса. При использовании релятивистского электронного пучка с энергией ~ 1 Мэв, плотностью тока j ~ 10⁴ а/см² и длительностью импульса ~ 10^-8 сек, плотность энергии накачки ~ 0,1 дж/см ³ достигается при давлении криптона ~ 1 атм. Источники пучков с указанными параметрами довольно широко распространены и их создание, по-видимому, не является сложной технической проблемой. В случае, если активная среда заполнена в основном инертным газом, с большим порядковым номером Z, то подавляющая часть энергии, теряемой пучком в газе, будет расходоваться на ионизацию атомов. В результате в газе образуется значительное количество свободных электронов, рекомбинация которых приводит к образованию возбужденныхз атомов и молекул. Ориентируясь на приведенные выше параметры активной среды, мы можем проанализировать следующую последовательность элементарных процессов, происходящих в таком слабоионизованном газе:

ê + R → ê + R⁺ + e, (32)

R⁺ +2 R →R⁺₂ + R, (33)

R⁺₂ +e →R + R*, (34)

R⁺ +2e →R + e, (35)

R⁺ +X₂ →RX* +X, (36)

R* +X₂ →R +2X, (37)

RX* → R +X +ћω, (37')

R* +2 R →R*₂ + R, (38)

ћω + RX* → R +X +2ћω, (39)

где R, X – атом инертного газа и галогена соответственно, звездочка отвечает электронно-возбужденному состоянию, ê – быстрый электрон пучка, е – тепловой электрон. Как видно из механизма возбуждения лазера, важными стадиями в последовательности процессов, приводящих к созданию инверсной заселенности, являются процессы конверсии ионов (33) и диссоциативной рекомбинации (34). Эти процессы отвечают основным каналам преобразования энергии электрического поля в энергию возбужденных атомов и молекул только в специфических условиях, когда давление газов и энергия первичных электронов в газе достаточно высоки. При малых давлениях, с одной стороны, процесс конверсии (33) весьма медленный, так что на процесс диссоциативной рекомбинации (34) накладываются процессы рекомбинации через другие механизмы, при которых образуются атомы не в одном, а во многих электронно-возбужденных состояниях. Такой режим не благоприятен для создания инверсионной заселенности. С другой стороны, при малых значениях энергии электронов доля энергии, расходуемой на ионизацию, уменьшается, что также снижает селективность механизма образования возбужденных атомов. В самом деле, если энергия налетающего электрона порядка связи электрона в атоме, то при неупругом соударении электрона с атомом с примерно равными вероятностями могут образовываться атомы в различных возбужденных состояниях.