Измерение констант скорости энергообменных процессов в плазме импульсно-периодического разряда в смеси Ar/Heпри накачке перехода 1s5 → 2p7
- Авторлар: 1,2, 1,2
-
Мекемелер:
- Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
- Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
- Шығарылым: Том 1 (2023)
- Беттер: 202-203
- Бөлім: Физика
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr2023/article/view/419730
- ID: 419730
Дәйексөз келтіру
Толық мәтін
Аннотация
Обоснование. Лазер на метастабильных атомах инертных газов с оптической накачкой (ЛОНИГ) представляет собой перспективную лазерную систему, которая превращает излучение лазерных диодов в мощное излучение высокого качества [1–3]. ЛОНИГ работает по трехуровневой схеме: в плазме тлеющего разряда в смеси Ar/He нарабатываются метастабильные атомы Ar(1s5); оптическая накачка соответствует переходу 1s5 → 2p9; за счет процесса Ar(2p9)+He заселяется верхний излучательный уровень 2p10; лазерная генерация осуществляется на переходе 2p10 → 1s5 [4, 5]. Включение уровней 2p7 и 2p6 в тему нашего исследования объясняется тем, что в настоящее время предлагаются системы ЛОНИГ с двойной накачкой, в которых за счет накачки перехода 1s4 → 2p8(2p7) решается проблема накопления в активной среде долгоживущего состояния 1s4 [6, 7].
Цель — определить значения констант скорости энергообменных процессов, происходящих в плазме Ar/He импульсно-периодического разряда, которые необходимы для развития лазера на метастабильных атомах инертных газов с оптической накачкой.
Методы. Для моделирования кинетики энергообменных процессов в плазме Ar/He использовался программный пакет COMSOL Multiphysics, где были записаны уравнения баланса для уровней метастабильного аргона 1s5 – 2p6.
В экспериментах для наработки высоких концентраций Ar* использовался импульсно-периодический разряд, зажигаемый между парой титановых электродов, размещенных внутри 3-осевого креста из нержавеющей стали. Кинетика Ar* в смеси Ar/He исследовалась методом лазерно-индуцированной флуоресценции. Для возбуждения уровней Ar(2р7) использовался перестраиваемый Ti-Sa лазер. Регистрация сигналов проводилась одновременно по трем каналам с помощью скоростных ФЭУ. Особенностью проведенного эксперимента является прямое измерение температуры газа в плазме разряда методом перестраиваемой диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии по уширению линии поглощения аргона на переходе 1s5 → 2p10.
Результаты. На рис. 1, а–г сплошными линиями показаны типичные сигналы с трех каналов, настроенных на переходы 2p6 → 1s5 (а), 2p7 → 1s4 (б), 2p8 → 1s5 (в) и 2p9 → 1s5 (г) при накачке 1s5 → 2p7 на длине волны 772,4 нм, давлении в камере Р = 350 Торр и температуре газа в зоне разряда Т = 420 К. Регистрация сигналов с уровней 2p7 и 2p9 проводилась через один канал путем перестройки положения монохроматора с малым временным интервалом. Результаты моделирования представлены на рис. 1, а-г пунктирными линиями. Лучшее согласие модели со всеми 4 экспериментальными сигналами было достигнуто при следующих подобранных значениях суммарных констант скорости столкновительной релаксации между р уровнями:
Ar(2p6) + He → Ar(2p7,8,9,10) + He 1×10–10 см3 · с–1,
Ar(2p7) + He → Ar(2p8,9) + He 8×10–12 см3 · с–1,
Ar(2p8) + He → Ar(2p9,10) + He 1,5×10–11 см3 · с–1,
Ar(2p9) + He → Ar(2p10) + He 1,5×10–11 см3 · с–1.
Рис. 1. Сигналы, полученные при накачке Ar 1s5 → 2p7 на длине волны 772.4 нм, давлении в камере Р = 350 Торр и температуре газа в зоне разряда Т = 420 К (сплошные линии – эксперимент, пунктирные – модель)
Заметно расхождение расчетов с экспериментом для перехода 2p7 → 1s4 (рис. 1, б), которое средствами модели устранить не удалось. Данное расхождение может быть объяснено неточностью в определении формы и энергии импульса накачки 1s5 → 2p7, задающего начальное распределение концентрации [Ar(2p7)].
Выводы. В работе была создана экспериментальная установка, позволяющая одновременно регистрировать излучения от нескольких переходов метастабильных атомов аргона, генерируемых в ИПР, при прямом измерении температуры газа. В результате сравнения сигналов с моделью получены значения констант скорости процессов тушения состояний аргона 2p6, 2p7, 2p8 и 2p9 в столкновениях с Не. Ранее подобные измерения проводились без контроля температуры газа.
Толық мәтін
Обоснование. Лазер на метастабильных атомах инертных газов с оптической накачкой (ЛОНИГ) представляет собой перспективную лазерную систему, которая превращает излучение лазерных диодов в мощное излучение высокого качества [1–3]. ЛОНИГ работает по трехуровневой схеме: в плазме тлеющего разряда в смеси Ar/He нарабатываются метастабильные атомы Ar(1s5); оптическая накачка соответствует переходу 1s5 → 2p9; за счет процесса Ar(2p9)+He заселяется верхний излучательный уровень 2p10; лазерная генерация осуществляется на переходе 2p10 → 1s5 [4, 5]. Включение уровней 2p7 и 2p6 в тему нашего исследования объясняется тем, что в настоящее время предлагаются системы ЛОНИГ с двойной накачкой, в которых за счет накачки перехода 1s4 → 2p8(2p7) решается проблема накопления в активной среде долгоживущего состояния 1s4 [6, 7].
Цель — определить значения констант скорости энергообменных процессов, происходящих в плазме Ar/He импульсно-периодического разряда, которые необходимы для развития лазера на метастабильных атомах инертных газов с оптической накачкой.
Методы. Для моделирования кинетики энергообменных процессов в плазме Ar/He использовался программный пакет COMSOL Multiphysics, где были записаны уравнения баланса для уровней метастабильного аргона 1s5 – 2p6.
В экспериментах для наработки высоких концентраций Ar* использовался импульсно-периодический разряд, зажигаемый между парой титановых электродов, размещенных внутри 3-осевого креста из нержавеющей стали. Кинетика Ar* в смеси Ar/He исследовалась методом лазерно-индуцированной флуоресценции. Для возбуждения уровней Ar(2р7) использовался перестраиваемый Ti-Sa лазер. Регистрация сигналов проводилась одновременно по трем каналам с помощью скоростных ФЭУ. Особенностью проведенного эксперимента является прямое измерение температуры газа в плазме разряда методом перестраиваемой диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии по уширению линии поглощения аргона на переходе 1s5 → 2p10.
Результаты. На рис. 1, а–г сплошными линиями показаны типичные сигналы с трех каналов, настроенных на переходы 2p6 → 1s5 (а), 2p7 → 1s4 (б), 2p8 → 1s5 (в) и 2p9 → 1s5 (г) при накачке 1s5 → 2p7 на длине волны 772,4 нм, давлении в камере Р = 350 Торр и температуре газа в зоне разряда Т = 420 К. Регистрация сигналов с уровней 2p7 и 2p9 проводилась через один канал путем перестройки положения монохроматора с малым временным интервалом. Результаты моделирования представлены на рис. 1, а-г пунктирными линиями. Лучшее согласие модели со всеми 4 экспериментальными сигналами было достигнуто при следующих подобранных значениях суммарных констант скорости столкновительной релаксации между р уровнями:
Ar(2p6) + He → Ar(2p7,8,9,10) + He 1×10–10 см3 · с–1,
Ar(2p7) + He → Ar(2p8,9) + He 8×10–12 см3 · с–1,
Ar(2p8) + He → Ar(2p9,10) + He 1,5×10–11 см3 · с–1,
Ar(2p9) + He → Ar(2p10) + He 1,5×10–11 см3 · с–1.
Рис. 1. Сигналы, полученные при накачке Ar 1s5 → 2p7 на длине волны 772.4 нм, давлении в камере Р = 350 Торр и температуре газа в зоне разряда Т = 420 К (сплошные линии – эксперимент, пунктирные – модель)
Заметно расхождение расчетов с экспериментом для перехода 2p7 → 1s4 (рис. 1, б), которое средствами модели устранить не удалось. Данное расхождение может быть объяснено неточностью в определении формы и энергии импульса накачки 1s5 → 2p7, задающего начальное распределение концентрации [Ar(2p7)].
Выводы. В работе была создана экспериментальная установка, позволяющая одновременно регистрировать излучения от нескольких переходов метастабильных атомов аргона, генерируемых в ИПР, при прямом измерении температуры газа. В результате сравнения сигналов с моделью получены значения констант скорости процессов тушения состояний аргона 2p6, 2p7, 2p8 и 2p9 в столкновениях с Не. Ранее подобные измерения проводились без контроля температуры газа.
Авторлар туралы
Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева; Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: kuramshinr2001@gmail.com
студент, группа 4402-030302D, физический факультет
Ресей, Самара; СамараСамарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева; Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Email: torbin.ap@yandex.ru
научный руководитель, кандидат физико-математических наук
Ресей, Самара; СамараӘдебиет тізімі
- Han J., Heaven M.C. Gain and lasing of optically pumped metastable rare gas atoms // Opt. Lett. 2012. Vol. 37, No. 11. P. 2157–2159.doi: 10.1364/OL.37.002157
- Sanderson C.R., Ballmann C.W., Han J., et al. Demonstration of a quasi-CW diode-pumped metastable xenon laser // Optics Express. 2019. Vol. 27, No. 24. P. 36011–36021. doi: 10.1364/OE.27.036011
- Sun P., Zuo D., Mikheyev P.A., Han J., Heaven M.C. Time-dependent simulations of a CW pumped, pulsed DC discharge Ar metastable laser system // Optics express. 2019. Vol. 27, No. 16. P. 22289–22301. doi: 10.1364/OE.27.022289
- Han J., Heaven M.C. Kinetics of optically pumped Ar metastables // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, No. 22. P. 6541–6544.doi: 10.1364/OL.39.006541
- Mikheyev P.A., Han J., Clark A., et al. Production of Ar and Xe metastables in rare gas mixtures in a dielectric barrier discharge // Journal of Physics D: Applied Physics. 2017. Vol. 50, No. 48. P. 485203. doi: 10.1088/1361-6463/aa91bf
- Sun P., Zuo D., Wang X., et al. Investigation of dual-wavelength pump schemes for optically pumped rare gas lasers // Optics Express. 2020. Vol. 28, No. 10. P. 14580–14589. doi: 10.1364/OE.392810
- Gao J., Sun P., Wang X., Zuo D. Modeling of a dual-wavelength pumped metastable argon laser // Laser Physics Letters. 2017. Vol. 14, No. 3. P. 035001. doi: 10.1088/1612-202X/aa5b10
Қосымша файлдар
