Рекомбинирующая плазма как активная среда лазера.

Плазменные лазеры (рекомбинационная накачка).

Процессы рекомбинации при столкновениях свободных электронов с положительно заряженными ионами в плазме могут приводить к достаточно эффективному накоплению атомов (ионов) в возбужденных состояниях, т. е. могут в принципе использоваться для накачки лазерных перехо­дов.

Обозначим через температуру электронной состав­ляющей плазмы (электронная температура), а через Т — равновесную температуру, для которой степень ионизации совпадает с данной. Пусть и — концентрации соот­ветственно электронов и ионов. Скорость уменьшения за счет рекомбинационных электрон-ионных столкновений опи­сывается уравнением

(1)

где — коэффициент электрон-ионной рекомбинации (здесь имеется в виду рекомбинация тройным столкновением, поскольку в плотной плазме можно пренебречь радиационной рекомбинацией). Он растет с уменьшением электронной температуры по за­кону

(2)

( — некоторая постоянная). Из (1) следует, что

где с учетом (2)

Чем меньше тем выше скорость рекомбинации и, как след­ствие, эффективнее накачка. Легко видеть, что рекомбинирующая плазма должна характеризоваться достаточно вы­сокой концентрацией электронов и в то же время доста­точно низкой электронной температурой . Плазма в рекомбинационном режиме — это плотная, высокоионизованная плазма, электроны которой «переохлаждены», так что выполняется неравенство

Как активная среда лазера рекомбинирующая плазма весьма привлекательна. В отличие от остальных активных сред она не изменяет своего агрегатного состояния при сколь угодно высокой плотности вводимой в нее энергии. Это открывает возможность для создания особо мощных лазеров. Кроме того, и рекомбинирующей плазме можно в принципе использовать лазерные переходы, попадающие в ультрафиолетовый и даже в рентгеновский диапазоны.

Свойства плазмы в рекомбинационном режиме радикаль­но отличаются от свойств плазмы, используемой в газораз­рядных лазерах (в последнем случае говорят о плазме в ионизационном режиме). Сопоставление этих свойств дано в табл. 1, где приведены характерные численные значе­ния параметров плазмы.

 

Таблица 1

Плазма в ионизационном режиме характеризуется ме­нее высокой, чем в рекомбинационном режиме, концентра­цией свободных электронов и обратным по сравнению с (5) соотношением между температурами и , В рекомбинационном режиме электроны плазмы «переохлаж­дены»; в ионизационном они, напротив, «перегреты». На­лицо отклонения от термодинамического равновесия в противоположные стороны.

Заметим, что для рекомбинационного режима харак­терно перемещение возбужденных атомов (ионов) сверху вниз по энергетической шкале; это способствует преиму­щественному возбуждению верхних уровней. В ионизационном же режиме заселение уровней обычно происходит в обратном порядке — снизу вверх, что увеличивает вероят­ность паразитного возбуждения нижних уровней.

Принципиальные вопросы создания лазера на рекомбинирующей плазме.

В настоящее время активно исследуют­ся вопросы теории и практической реализации лазеров на рекомбинирующей плазме. Этилазеры называют плаз­менными или рекомбинационными.

Подчеркнем принципиальное отличие плазменного ла­зера от газоразрядного. В процессе работы газоразрядного лазера степень ионизации плазмы возрастает, а в случае плазменного лазера падает. В этом смысле газоразрядный лазер работает на переходе среды от газа к. плазме, тогда как плазменный лазер работает на переходе от плазмы к газу.

Сопоставление плазменного и газоразрядного лазеров можно продолжать, рассматривая импульсную накачку. В импульсном газоразрядном лазере генерация начинается по достижении достаточно высокой интенсивности импульса тока в разряде — на фронте импульса. В импульсном плаз­менном лазере генерация начинается уже после окончания импульса тока — после того, как возникнет достаточно высокая степень ионизации плазмы и произойдет «охлаж­дение» свободных электронов. Иными словами, плазмен­ный лазер генерирует в послесвечении разряда.

Для создания плазменного лазе­ра надо решить две проблемы. Первая связана с получением плотной высокоионизованной плазмы с «пере­охлажденными» электронами, вторая — с релаксацией нижнего рабо­чего уровня.

Отметим особую сложность пер­вой проблемы. Исследуются различ­ные пути решения этой проблемы, отличающиеся друг от друга спосо­бами ввода в активную среду энер­гии возбуждения и способами охлаждения электронов. Если плазма как целое неподвижна, то эффективны два спо­соба охлаждения свободных электронов: пристеночное ох­лаждение (в трубках относительно малого диаметра) и ох­лаждение за счет упругих столкновений с атомами буфер­ного газа, например, гелия или водорода. В движущейся как целое плазме возможен газодинамический механизм охлаждения — при адиабатическом расширении газовой смеси.

В зависимости от способов ионизации среды, охлажде­ния электронов и очищения нижних уровней выделяют раз­личные типы плазменных лазеров: импульсные, электронно-пучковые, с ядерной накачкой, плазмодинамические, плаэмохимические.