ê + R → ê + R+ + e, (4)

R+ +2 R →R+2 + R, (5)

R+2 +e →R + R*, (6)

R+ +2e →R + e, (7)

R+ +X2 →RX* +X, (8)

R* +X2 →R +2X, (9)

RX* → R +X +ћω, (9')

R* +2 R →R*2 + R, (10)

ћω + RX* → R +X +2ћω, (11)

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 (5) и диссоциативной рекомбинации (6). 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 овысоки. При малых давлениях, с одной стороны, процесс конверсии (5) весьма медленный, так что на процесс диссоциативной рекомбинации (6) накладываются процессы рекомбинации через другие механизмы, при которых образуются атомы не в одном, а во многих электронно-возбужденных состояниях. Такой режим не благопричтен 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.

Для восстановления полной картины элементарных процессов, протекающих в активной среде эксимерных лазеров, необходимо иметь детальную информацию о процессах преобразования энергии возбужденных атомов, образующихся в результате диссоциативной рекомбинации, в энергию возбужденных эксимерных молекул. Между тем, информация такого рода не настольеко полна и надежна, чтобы делать уверенные выводы о каналах преобразования энергии и, следовательно, оптимальных условиях ее использования.

Несмотря на неполный характер имеющейся в моем распоряжении информации, я могу оценить оптимальные парамертры эксимерных лазеров, возбуждаемых электронным пучком. Рассмотрю лазеры на димерных молекулах Ar2, Kr2, Xe2, которые имеют сходные механизмы создания инверсной заселенности, а также близкие значения констант процессов, определяющих кинетику возбуждения. В лазерах этого типа эксимерные молекулы образуются в результате протекания реакции:

R* +2 R →R*2 + R. (12)

С учетом пленения излучения радиационное время жизни резонансно возбужденных атомов инертных газов R* достаточно велико (“10-6сек), поэтому реакция (12)является практически единственным каналом преобразования энергии возбужденных атомов уже при плотности энертного газа N > 1019см-3.

1.2. Возбуждение зксимерного лазера разрядом

Механизм электроразрядного возбуждения зксимерных лазеров в существенной степени отличается от механизма возбуждения лазеров электронным пучком.Основная отличительная особенность связана со способом образования метастабильных атомов инертного газа.Типичное соотношение компонент в активной среде рассматриваемого класса лазеров имеет вид Не(Ne):R:X210:1:0,1,однако доля буферного газа может быть значительно выше. Сумарное давление смеси состовляет обычно около 1атм., но в отдельных работах в результате давления буферного газа используется существенно более высокое давление.

В результате неупругих электрон-атомных соударений в разряде образуется значительное количество возбужденных атомов инертного газа:

e+RR*(,1P1)+e (13)

Столкновение таких атомов с электронами, сопровождающиеся спиновым обменом между налетающим и валентным электроном, приводят к образованию метастобильных атомов:

R*(,1P1)+еR*(3P2,3P0)+е (14)

Концентрация которых оказывается, таким образам, близкой к конценрации резонансно-возбужденных атомов.

Характерное значение константы спинового обмена составляет 10-6см3/сек. Поэтому указанный процесс(14) может происходить за времена, меньшие или порядка характерной деятельности лазерного излучения~10-9-10-8сек в случае,если плотность элелтронов Ne удовлетворяет соотношению:

Ne“1014-1015см-3.

Формирование однородного наносекундного разряда в газе атмосферного даления с указанной плотностью электронов представляет серьезную техническую проблему, решению которой и посвящено большинство работ по эксимерным лазерам с электроразрядным возбуждением. В случае возбуждения лазеров на димерах инертных газов, где оптимальные значения плотности газа состовляют десятки атмосфер, указанная проблема не нашла сиоего решения, так что электрический разряд используется только для возбуждения эксимерных лазеров на моногалогенидах инертных газов. В частности, для возбуждения эксимерных лазеров широко используются такие устройства, как разряд с поперечным возбуждением, разряд с предварительным инциированием дополнительным источником ионизации, таким как фотоионизирующее излучение електронный пучок небольшой мощности, разряд бегущей волны или линия Блюмляйна.

Основным параметром, определяющим эффективность эксимерного лазера с электроразрядным возбуждением, является отношение напряженности електрического поля к плотности буферного газа . При малых E/N мала константа скорости возбуждения атома инертного газа электронным ударом. При больших E/N имеет место эффекивное возбуждение одновременно большого состояницй атома инертного газа а также его ионизация, что ведет к резкому снижению коэфициента преобразования вводимой энергии в энергию метастабильных атомов инертного газа. Оптимальные значения E/N оказываются порядка 10-15всм3. При давлении порядка атмосферного это соответствует значениям напряженностей электрического поля, лежащим вобласти 104-105 в/см. легко увидеть,что подобные значения напряженностей технически несложно могут быть реализованы лишь при сравнительно небольших электродных расстояниях порядка нескольких сантиметров. Отсюда следует необходимость использования электрического поля приложенного поперёк лазерной трубки.