6.3.3.4. Эксимерные лазеры [22]

лазеры представляют собой интересный и важ­ный класс молекулярных лазеров на переходах между различ­ными электронными состояниями. Рассмотрим двухатомную

⁴> Азотный лазер может работать даже на воздухе, что позволяет соз- давать поразительную но своей простоте конструкцию. Она представляет собой два бруска дюралюминия (выполняющих роль электрода)! укреплен- ных на листе с двух сторон текстолита (конденсатор). на котором также закреплен (воздушный же) разрядник в виде автомобильной свечи,-и все! Это сооружение, питаемое от простейшего телевизорного выпрямителя, действительно генерирует монохроматическое УФ-излучение. - Прим. перев.

м олекулу А2, кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний которой приведены на рис. 6.25. 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 А_о может суще­ствовать в возбужденном со­стоянии (т. е, в возбужденном состоянии частицы существуют в димерной форме А₂). Такая молекула А*₂ 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

^{Межъядерное расстояние}

(свободным) состояниями (свя­занно-свободный переход). Со­ответствующий лазер называ­ется эксимерным. Эти лазеры характеризуются двумя не­обычными, но важными свой­ствами благодаря тому, что ос­новное состояние соответствует взаимному отталкиванию ато­мов. 1) Как только в результате генерации молекула перейдет в основное состояние, она немедленно диссоциирует. Это означает, что нижний лазерный уровень будет всегда пустым. 2) Не суще­ствует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным (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). Однако поскольку основное со­стояние является лишь слабосвязанцым, молекула в этом со­стоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предис-социация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

_!

Рассмотрим теперь наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа (например, Аг, Кг, Хе) в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена (на­пример, F, С1), что приводит к образованию эксимера¹⁾ галоге-нидов инертных газов. В качестве конкретных примеров укажем ArF (К =193 нм), KrF (Я = 248 нм), ХеС1 (Я = 309 нм) и XeF (Я = 351 нм), которые генерируют все в УФ-диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбуж­денном состоянии, становится ясным, если учесть, что в воз­бужденном состоянии атомы инертных газов становятся химиче­ски сходными 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. Поэтому подобное связанное состояние также назы­вают состоянием с переносом заряда. Рассмотрим теперь по­дробнее KrF-лазер, так как он представляет собой один из наиболее важных лазеров данной категории. На рис. 6.26 приве­дена диаграмма потенциальной энергии молекулы KrF. Верх­ний лазерный уровень является состоянием с переносом заряда

и ионной связью, которое при R = оо отвечает состоянию ²Р по­ложительного иона Кг и состоянию ^lS отрицательного иона F. Поэтому энергия при R = со равна потенциалу ионизации атома криптона минус сродство атома фтора к электрону. При боль­ших межъядерных расстояниях кривая энергии подчиняется за­кону Кулона. Таким образом, потенциал взаимодействия между двумя ионами простирается на гораздо большее расстояние (5— 10А), чем в случае, когда преобладает ковалентное взаимо­действие (ср., например, с рис, 6.24). Нижнее состояние имеет ковалентную связь и при R = оо отвечает состоянию ^lS атома криптона и состоянию ²Р атома фтора. Таким образом, в_основ-ном состоянии атомные состояния инертного газа и галогена ме­няются местами. В результате взаимодействия соответствующих

орбиталей верхнее и нижнее состояния при малых межъядерных расстояниях расщепляются на состояния ²2 и ²П. Генерация происходит на переходе ²2->-²2, поскольку он имеет наибольшее сечение. Заметим, что при переходе излучающий электрон пере* дается от иона F~ иону Кг⁺.

^1> Строго говоря, они не должны называться эксимерами, поскольку состоят из различных атомов. В этом случае более подходящим был бы» по-видимому, термин «гетероэксимер> или эксиплекс (аббревиатура англ. слов excited state complex). Однако в настоящее время слово «эксимер» ис­пользуется именно в этом смысле, и мы будем пользоваться именно им.

Обращаясь к механизмам возбуждения, заметим, что элек­трическое возбуждение приводит в основном к образованию возбужденных атомов Кг и ионов Кг. Обе частицы сразу же приводят к образованию возбужденных молекул KrF. В самом деле, возбужденный атом Кг может реагировать с молекулой F₂ в соответствии со следующей реакцией:

_{Кг* + F2 -* (KrF)* + F.}

(6.12)

Используя рассмотренную выше аналогию между возбужден­ными атомами инертного газа и атомами щелочных металлов,

можно сразу же предположить, что скорость реакции (6.12) бу-

1Z

_{' 11 i l i. I ' i i i ' i i I}

₁₀

8

лазерная генерация

■

_{& 4}

pi

о

_-г

5

о

7

_{Н, А}

8

Рис. 6.26. Кривые потенциальной энергии, отражающие молекулярную струк­туру KrF,

дет сравнима со скоростью реакции между Rb (атом щелочного металла, соответствующий Кг) и молекулой F,. Ион Кг+ на­против, реагирует с ионами F-, которые образуются в реакции присоединениЯ электрона с диссоциацией:

e+F₂-»>F~ + F. (6.13)

что для одновременного выполнения законов сохра­нения энергии и импульса рекомбинация двух ионов должна

^{протекать посредством трехчастичного столкновения:}

_{F" + Кг* + М — (KrF)* + М, (6.14)}

где М — атом буферного газа (в данном случае это, как пра­вило, гелий). Из-за большого расстояния взаимодействия двух ионов 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, F2 при дав­лении 6 мбар и Не при давлении 2400 мбар).

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом в соответствии с общей схемой, представленной на рис. 6.21, Предыонизация обычно до-

_t

1000Ь

СО;

б;

_е-

3 ю

АгТ

_KrF

ХеС

11» Т-1

₁

10,6

0,713

0,75

0,25 ' 0J5 0,45 ¹

Рис. 6.27. Энергия в импульсе, излучаемая ТЕА-лазером с УФ-предыониза-диеи электрического разряда. В каждом из указанных лазеров использова­лась та же лазерная трубка, что и на рис. 6.21, но заполненная соответ­ствующим газом.

.л

стигается, как и на рис. 6.21, излучающими в УФ-диапазоне иск­ровыми разрядами. Поскольку глубина проникновения УФ-из-лучения в газовую смесь ограничена, для больших установок (поперечные размеры разряда больше 2—3 см) иногда приме­няют предыонизацию рентгеновским излучением. Для лабора­торных устройств и самых крупных установок иногда исполь­зуют также накачку внешним электронным пучком. Во всех слу­чаях усиление оказывается очень большим, так что в лазерном резонаторе обычно на одном из концов в качестве зеркала уста­навливают непросветленный эталон, а на^ другом конце исполь­зуют зеркало со 100 %-ным отражателем (например, заднее зер­кало на рис. 6.21). Поскольку время жизни верхнего уровня

^{сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования}

дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длительность импульса накачки 10—20 не). В случае, представленном на рис. 6.21, это достигается, как и в азотном лазере, тем, что уменьшают по возможности индуктивность контура и используют

безындукционные конденсаторы, присоединенные к разрядным электродам короткими проводниками, В действительности один и тот же лазер типа изображенного на рис. 6.21 можно ис­пользовать как TEA С0₂-лазер, азотный лазер или эксимерный ^азер просто заменой газовой смеси. На рис. 6.27 показаны по­лученные таким способом выходные энергии одиночного им­пульса для различных лазеров. Имеются эксимерные лазеры с частотой повторения примерно до 500 Гц и средней выходной мощностью вплоть до 100 Вт. В настоящее время создаются так­же более крупные установки со средней мощностью более 1 кВт. Благодаря большому квантовому выходу (см. рис. 6.26) и высо­кой эффективности процессов накачки КПД этих лазеров обыч­но довольно высок (2—4 %).

Эксимерные лазеры используются для очень точного травле­ния различных материалов в приложениях, связанных с элек­тронными печатными схемами, а также для выжигания тканей в биологии и медицине (например, радиальная кератомия ра­дужной оболочки глаза). Эксимерные лазеры также широко ис­пользуются в научных исследованиях и, по-видимому, найдут многочисленные применения там, где требуется источник мощ­ного УФ-излучения с высоким КПД (например, в фотохимии).