1.3 Основные реакции в лазерах на галогенидах инертных газов

В эксимерных лазерах на галогенидах инертных газов применяются различные смеси газов так, чтобы кинетика реакций с участием этих компонентов способствовала эффективному образованию рабочих молекул. Например, смесь газов в электроразрядном XeCl* лазере состоит изNe,XeиHClв примерном отношении 1000:5:0,5.

Кинетика реакций в лазере на молекуле XeCl достаточно сложна. Участие в процессах многих частиц, и их продуктов - различных ионов, возбужденных частиц, всевозможных соединений этих элементов вызывает сотни реакций, каждая из которых характеризуется своей скоростью. Естественно, что абсолютно все реакции, протекающие в лазерной среде учесть невозможно, поэтому ограничиваются некоторым конечным набором реакций, имеющих значительное воздействие на процессы в активной среде. Но это всего лишь модель реальности, которая позволяет с некоторой точностью предсказать поведение активной среды. Например, модели современных исследований насчитывают до 400 реакций, которые разделены на группы по определенному признаку - единому физическому принципу данной группы. Выделяют 8 основных группы плазмо-химических реакций.

1) Таунсендовская ионизация - основная реакция, вызванная электрическим разрядом: Xe + e Xe⁺+ 2e.

При концентрации электронов менее 10¹³см^-3идет только таунсендовская ионизация, а ступенчатая ионизация начинает доминировать после 10¹⁴см^-3, поскольку накапливается Xe^*. При ступенчатой ионизации возможен рост концентрации электронов в плазме при уменьшающейся напряженности электрического поля.

2) Возбуждение уровней HCl. Колебательные уровни HCl возбуждаются электронами с малой энергией HCl₍₀₎+ eHCl_(i)+ e,

поэтому происходит увеличение концентрации молекул HCl₍₁₎, HCl₍₂₎и HCl₍₃₎, а плотность молекул HCl₍₀₎убывает.

3) Диссоциативное прилипание. HCl_(i)+ eH + Cl^-.

Реакция каждого i-го уровня молекулы HCl(i) характеризуется определенной скоростью процесса. Обозначим константы скоростей реакций K_iдля каждого i-го уровня молекулы HCl_(i). Следующее соотношение K_пр⁽⁰⁾<K_пр⁽¹⁾<<K_пр⁽²⁾<<K_пр⁽³⁾реакция с более высокого i-го состояния идет намного быстрее, чем с нижнего.

Динамика взаимодействия молекулы HCl c электроном выглядит так:

- Изначально имеется только концентрация молекул HCl₍₀₎;

- Затем с ростом концентрации электронов увеличивается количество возбужденных молекул HCl_(i)(2-я группа реакций);

- Скорость гибели электронов сильно возрастает с ростом концентрации HCl_(i)ввиду больших скоростей реакций с высших i-ых состояний.

В стационарном состоянии скорость рождения и гибели электронов равны, т.е. dn_e/dt=0. Развитие разряда характеризуется ростом концентрации электронов dn_e/dt>0, однако одновременно с развитием разряда происходит нарастание прилипания – уход электронов из плазмы. Но скорость ионизации в плазме продолжает увеличиваться за счет включения ступенчатой ионизации.

4) Ион-ионная рекомбинация. Сечение столкновения положительного иона Хе⁺и отрицательного Сl^-очень велико благодаря кулоновской силе притяжения.

Реакция Xe⁺+ Cl^-XeCl^**- играет существенную роль в образовании эксимерных молекул несмотря на то, что концентрации ионов Xe⁺и Cl^-в плазме сравнительно невелики. Молекула XeCl^**образуется на высших возбужденных уровнях в соответствии с полной энергией системы состоящей из двух заряженных ионов Xe⁺и Cl^-. Такое состояние очень неустойчиво, вернее пока отдельные ионы находятся на расстоянии порядка 1 А считают, что они находятся в состоянии XeCl^**. При этом если система не потеряет часть энергии отталкивающие силы не позволят ионам образовать связь, т.е. оказаться в потенциальной яме. Потерять энергию молекула может в результате столкновения с некоторой частицей XeCl^**+ NeXeCl_(в)+ kT.

В качестве М может выступать любая частица, но в основном эту роль играет Ne:

XeCl^** + Ne  XeCl_(в) + kT.

Все условия должны быть такими, чтобы нарабатывалась максимальная концентрация рабочих эксимерных молекул XeCl_(в), т.е. константа скорости этой последней реакции должна быть достаточно велика, чтобы успеть до разлета ионов осуществить реакцию.

Неон легко вступает в реакцию с ксеноном: Xe⁺+ NeXeNe⁺,

т.к. энергетически такое связанное состояние более выгодно. Эта реакция идет с большой скоростью. Значительное влияние оказывают реакции Xe⁺+ XeXe₂⁺,

XeNe⁺ + Cl^-  XeCl^** + Ne,

причем последняя реакция вносит вклад в образование рабочих молекул.

5) Ионизация и диссоциация молекулы HCl.

HCl + e HCl⁺+ 2e - ионы молекулы HCl не принимают участие в образовании полезных молекул.

HCl₍₀₎+ eH + Cl + e - еще более неприятная реакция, т.к. для ее осуществления требуются электроны с малой энергией. Конечно, эти реакции обратимы, но не за время накачки.

Отрицательные эффект имеет образование устойчивой молекулы Cl + Cl Cl₂, которая достаточно агрессивно реагирует с примесями и стенками камеры и безвозвратно теряется из лазерной смеси. Кроме того она поглощает лазерное излучение, т.е. снижает энергосъем с устройства.

6) Тушение молекулы XeCl^*+ MXe + Cl + M.

В качестве М может выступать любая частица: атом, молекула или ион. Если скорости реакций этой группы окажутся высокими, то будет видно явное отрицательное влияние.

7) Поглощение лазерного кванта. HCl, Xe^*, Xe⁺имеют поглотительные уровни энергии соответствующие энергии квантов излучения эксимерных молекул. Чем меньше будет их концентрация в плазме, тем меньше будет поглощение, и как следствие больше энергосъем. Эти компоненты появляются в плазме в процессе накачки, и при большой энергии накачки ограничивают мощность излучения сверху.

8) Спонтанный распад рабочих молекул XeCl_(в,с).

XeCl^*  hν + Xe + Cl.

Время жизни молекулы XeCl_(в,с)составляет τ = 13 нс. Пока не произошел распад необходимо индуцированно снять с нее возбуждение. Регулировка этого процесса - настройка резонатора, добротность которого должна быть достаточной для создания фотонной лавины и получения лазерного излучения.