ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Эксимерные лазеры [17] представляют собой интересный и важный класс молекулярных лазеров на переходах между различными электронными со­стояниями специального класса молекул, называемых эксимерами. Рассмот­рим двухатомную молекулу А2, кривые потенциальной энергии основного и возбужденного состояний которой приведены на рис. 10.20. Поскольку ос­новное состояние соответствует взаимному отталкиванию атомов, в этом со­стоянии молекула не существует (т. е. в основном состоянии частицы суще­ствуют лишь в мономерной форме А). Однако поскольку кривая потенциаль­ной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула Л2 может существовать в возбужденном состоянии (т. е. в возбужденном состоянии час­тицы существуют в димерной форме А2). Такая молекула А2 называется экси - мером (аббревиатура англ. слов excited dimer — возбужденный димер). Предположим теперь, что в некотором объеме каким-либо образом соз­дано большое число эксимеров. Тогда генера­ция может быть получена на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) состояниями (связанно-свободный переход).

Соответствующий лазер называется эксимер - ным лазером. Классическим примером являет­ся NeЈ лазер, который был первым эксимерным лазером (К = 170 нм) [16].

Эксимерные лазеры характеризуются тремя необычными, но важными свойствами:

1. Поскольку переход осуществляется меж­ду различными электронными состояниями мо­лекулы, соответствующая длина волны чаще всего попадает в УФ-диапазон.

2. Как только в результате генерации молекула переходит в основное со­стояние, она немедленно диссоциирует из-за отталкивающего потенциала в этом состоянии. Это означает, что нижний лазерный уровень будет всегда пустым, и генерация осуществляется по четырехуровневой схеме.

3. Из-за отсутствия энергетических уровней в основном состоянии не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов,

И переход не имеет специфических осо­бенностей и является относительно ши­рокополосным (Ду = 20-100 см-1).

Однако следует заметить, что в неко­торых эксимерных лазерах кривая по­тенциальной энергии основного состоя­ния не соответствует чистому взаимно­му отталкиванию, а обладает неглубоким минимумом. В этом случае переход про­исходит между верхним связанным со­стоянием и нижним (слабо) связанным состоянием (связанно-связанный пере­ход). Поскольку основное состояние яв­ляется лишь слабосвязанным, молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциа - ция), либо вследствие первого же столк­новения с другой молекулой газовой смеси. Соответственно и в этом случае излучение имеет непрерывный спектр.

Рассмотрим теперь особенно интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа (чаще всего Кг, Аг, Хе) в возбужденном состоя­нии соединяется с атомом галогена (Е, С1), что приводит к образованию экси - мера[67] галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров ука­жем АгЕ (к = 193 нм), КгЕ (к = 248 нм), Хе¥ (X = 351 нм) и ХеС1 (к = 309 нм); каждый из которых генерирует в УФ-диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится понятным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных га­зов химически сходны с атомами щелочных металлов, которые, как извест­но, легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер; в процес­се образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. По этой причине подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда.

Рассмотрим теперь подробнее КгЕ лазер, поскольку он представляет со­бой один из наиболее важных лазеров данной категории (рис. 10.21). Верх­ний лазерный уровень является состоянием с переносом заряда и ионной связью, которое при Д -> оо отвечает состоянию [68]Р положительного иона Кг и состоянию отрицательного иона Е. Поэтому при больших межъядерных расстояниях кривая энергии подчиняется закону Кулона. Потенциал взаи­модействия между двумя ионами простирается на гораздо большее расстоя­ние (0,5-1 нм), чем в случае, когда преобладает ковалентное взаимодействие
(ср., например, с рис. 10.19). Нижнее состояние имеет ковалентную связь и при 1{ —> оо отвечает состоянию атома криптона и состоянию 2Р атома фто­ра. В результате взаимодействия соответствующих орбиталей верхнее и ниж­нее состояния при малых межъядерных расстояниях расщепляются на со­стояния 21 и 2П, хорошо известные в молекулярной спектроскопии. Генера­ция происходит на переходе В21 -> Х21, поскольку он имеет наибольшее сечение. Заметим, что при переходе излучающий электрон переходит от ио­на Е~ к иону Кг+. Наиболее важные спектроскопические характеристики это­го перехода приведены в табл. 10.2.

Оба основных механизма возбуждения, отвечающие за возникновение молекул Кг¥, связаны с возбуждением либо атома, либо иона криптона. Воз­бужденный разрядным электроном, атом Кг может реагировать с молеку­лой ¥2 в соответствии со следующими реакциями:

Е + Кг -> Е 4- Кг*,

Кг* + Е2->(КгЕ)* + Е,

А метод, связанный с возбуждением иона криптона, может быть описан сле­дующими тремя реакциями:

Е + Кг -> 2е + Кг+, е + ¥2->¥~ + ¥,

¥- + Кг+ 4- М -»(КгЕ)* + М,

Где сначала образуются ионы Кг и Е, а затем следует их рекомбинация в разрядном объеме, причем для выполнения законов сохранения энергии и импульса данный процесс происходит посредством третьего участника — буферного газа (обычно Не). Отметим, что реакция (10.2.126) является «осо­бенной» из-за большого сродства атома фтора к электрону. Такая реакция называется реакцией присоединения электрона с диссоциацией. Отметим также и то, что из-за большого расстояния взаимодействия двух ионов (взаи­модействие дальнего порядка) данная реакция также идет с очень большой скоростью, если давление буферного газа достаточно велико (газовая смесь обычно состоит из Кг при давлении около 120 мбар, ¥2 при давлении 6 мбар и Не при давлении 2400 мбар). В этом случае механизм (10.2.12) становится основным при образовании комплекса (КгЕ)*.

Поскольку давление в газовой смеси выше атмосферного, эксимерные лазеры могут работать только в импульсном режиме. На рис. 10.17 показана общая схема ТЕА-конфигурации, которая используется и в таких лазерах. Тем не менее, компоненты лазерной трубки и системы прокачки должны соответствовать высокой реакционной способности фтора. Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также для того, чтобы из­бежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длитель­ность импульса накачки 10-20 не), как и в случае ТЕА-С02 лазеров. В слу­чае, представленном на рис. 10.17, предыонизация достигается последова­тельностью коротких разрядов. Тем не менее, для очень больших лазерных систем применяются более сложные устройства предыонизации, использую­щие внешний электронный пучок или рентгеновский источник.

Серийно выпускаются эксимерные лазеры с частотой повторения при­мерно до 500 Гц и средней выходной мощностью вплоть до 100 Вт, в то время как в лабораториях существуют более крупные установки со средней мощно­стью более 1 кВт. Благодаря большому квантовому выходу (см. рис. 10.21) и высокой эффективности процессов накачки, КПД этих лазеров обычно до­вольно высокий (2-4% ).

Эксимерные лазеры используются для абляции пластика, а также для выжигания тканей в биологии и медицине с высокой точностью, поскольку эти материалы обладают высоким поглощением в ультрафиолетовом диапа­зоне. Действительно, в некоторых материалах такого типа глубина проник­новения для одного лазерного импульса может составлять всего лишь не­сколько микрометров. Благодаря сильному поглощению и короткой дли­тельности импульса происходит очень интенсивная абляция, и материалы напрямую трансформируются в летучие компоненты. Это свойство исполь­зуется для высокоточного сверления дырок в тонких пластиковых пленках (используемых, например, в головках струйных принтеров), а также в мик- рохирургиии глаза (с помощью лазерной обработки роговицы изменяют оп* тическую силу глаза, и таким образом корректируют близорукость). В лито* графии ультрафиолетовый источник света с длиной волны 248 нм является хорошим средством для субмикронной обработки полупроводниковых мик- рочипов. Также эксимерный лазер может служить для накачки лазеров на красителях, поскольку большинство красителей значительно поглощают в УФ-области спектра.