（物理电子学专业论文）电激励烷基碘化物产生碘激光的研究.pdf

竺竺鎏! ! 些叁兰! 兰堡! 茎堡丝兰 ： 摘要 碘激光器输出波长为1 3 1 5 1 a m ，适合在大气中传输，尤其是高功率碘激 光的出现，使它在激光武器和工业应用等些领域有着很好的应用前景。碘 激光器主要有三种泵浦方式，分别为光解离碘原子激光器、化学氧碘激光器 和电解离碘原予激光器，目前国内外高功率碘激光器主要是采用化学氧碘激 光器。本文选用烷基碘化物c 3 h 4 f 3 i ，实验观察了微波激励c 3 h 4 f 3 i 产生的 碘原子发射谱，并采用放大自发辐射法测得了c 3 h 4 f 3 i 产生i + 原子1 3 15 9 m 辐射的小信号增益系数。 本论文理论部分介绍了气体放电中的基本概念，对气体放电过程中影响 放电气体电学性质的电子的产生与消失，及其浓度随时自j 变化的速率方程作 了介绍，然后对均匀辉光放电以及预电离技术做了叙述。 本论文实验的第一部分首先通过微波激励c 3 h 4 f 3 i 来观测碘原予 1 3 1 5 9 i n 的荧光谱，劳且在不同微波功率及介质气体压力下重复实验，对不 同实验条件下的实验结果进行分析，均观测到了1 3 1 5 9 m 处有波峰，这个 结果很好的说明了通过微波激励烷基碘化物c 3 h 4 f 3 i ，可以产生i + 原子 1 3 15 9 r n 的发射；然后采用放大自发辐射法进行了c 3 h 4 f 3 i 增益特性的研 究，出实验结果计算出了i + 原子1 3 15 “m 辐射的增益系数。 本论文实验的第二部分又可分为两部分：首先叙述了实验配气装置的自 动配气系统硬件结构和程序设计，对激光放电头结构及其主要参数进行了简 单介绍；然后对脉冲放电激励碘化物的主要过程建立了动力学模型，对其动 力学过程进行了分析，并且求解了动力学方程，给出了数值模拟结果，得出 了放电管内激发念碘原子密度随时间的变化情况。 关键诵碘激光；1 3 1 5 9 m ：增益；c 3 h 4 f 3 i 竺! ! 鎏三些叁兰三兰竺；耋堡篓兰 a b s t r a c t i o d i n el a s e rh a st h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho f1 3 1 5 u m ，i ti ss u i t a b l ef o r a t m o s p h e r i ct r a n s m i s s i o n ，e s p e c i a l l ya f t e rt h ea p p e a r a n c eo fh i g hp o w e ri o d i n e l a s e r ，t h ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fi o d i n el a s e ri se x t r a o r d i n a r yw e l l i ns o m e f i e l d ，s u c ha sl a s e rt h e r m a lw e a p o na n di n d u s t r ya p p l i c a t i o n t h ei o d i n el a s e r m a i n l yh a st h r e ep u m p i n gm e t h o d s ，t h e ya r ep h o t o d i s s o e i a t i o ni o d i n ea t o ml a s e r ， c h e m i c a lo x y g e ni o d i n el a s e r , a n de l e c t r i cd i s c h a r g ed i s s o c i a t i o ni o d i n el a s e r p r e s e n t l yc h e m i c a lo x y g e ni o d i n e i st h em a i nh i g hp o w e ri o d i n el a s e ra th o m e a n da b r o a d a l k y li o d i n ec 3 h 4 f 3 ii ss e l e c t e df o re x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o no ft h e i o d i n ea t o m se m i s s i o ns p e c t r u mg e n e r a t e db ym i c r o w a v ee x c i t e dc 3 h 4 f 3 i ，a n d t h es m a l l s i g n a l g a i nc o e f f i c i e n t o fe x c i t e di o d i n ea t o ma t l315 1 t mw h i c hi s g e n e r a t e db yc 3 h 4 f 3 1 i sm e a s u r e d b ym e a n s o f a m p l i f i e ds p o n t a n e o u sr a d i a t i o n i nt h et h e o r e t i c a l p a r t o ft h i s d i s s e r t a t i o n ，w e i n t r o d u c e dt h eb a s i c c o n c e p t i o no ft h ee l e c t r i cd i s c h a r g e ，t h eg e n e r a t i o na n df a d eo fe l e c t r o nw h i c h e f f e c t st h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e so fd i s c h a r g eg a s ，a n dt h e r a t e e q u a t i o n w h i c h d e s c r i b et h er e l a t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r o nc o n c e n t r a t i o na n dt i m e t h e nw e d e s c r i b e dt h eg l o w d i s c h a r g ea n dp r e i o n i z a t i o nt e c h n i q u e i nt h ef i r s tp a r to ft h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s so ft h i sd i s s e r t a t i o n m i c r o w a v e i su s e dt oe x c i t et h ec 3 h 4 f 3 if o ro b s e r v i n gt h ef l u o r e s c e n ts p e c t r u mo fi o d i n ea t 1 315 u m b ym e a n so fr e p e a t i n gt e s tu n d e rd i f f e r e n tm i c r o w a v e p o w e ra n d m e d i u mg a sp r e s s u r e ，a n di n t e r p r e t a t i o no f r e s u l t s ，w a v ec r e s t sa r eo b s e r v e da t 1 315g m a 1 1 t h i sr e s u l tw e l ld e m o n s t r a t e st h a tm i c r o w a v ee x c i t e dc 3 h 4 f 1 i m a y g e n e r a t ee x c i t e di o d i n ee m i s s i o na t 1315 9 m t h e nt h eg a i np r o p e r t yo fe x c i t e d i o d i n ea t o m e m i s s i o na t1 315 9 m g e n e r a t e db yc 3 h 4 f 3 ii sr e s e a r c h e db ym e a n s o f a m p l i f i c a t i o ns p o n t a n e o u se m i s s i o n 、a n dt h eg a i nc o e m c i e n to fe x c i t e di o d i n e a t o m e m i s s i o na t1 315 9 mi sc a l c u l a t e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t t h es e c o n dp a r to ft h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s e sc a na l s ob ed i v i d e di n t ot w o p a r t s f i r s t ，t h e h a r d w a r es t r u c t u r ea n d p r o g r a md e s i g no ft h ea u t o m a t i c a l l y d i s t r i b u t i o ns y s t e mw h i c hi sap a r to ft h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t y i sd e s c r i b e d ，a n d t h e d i s c h a r g eh e a da n ds o m ep a r a m e t e r sa r es i m p l yd e s c r i b e d ；t h e nak i n e t i c i i 坠垒鎏! ：些垒兰! 兰堡! i 兰堡丝兰 m o d e lw h i c ht o o ki n t oa c c o u n to ft h ep r i n c i p a lp r o c e s s e so c c u r r i n gi nt h ep u l s e d d i s c h a r g ee x c i t i n g i o d i d ei s d e v e l o p e d k i n e t i cp r o c e s s e s a r e a n a l y z e d a n d k i n e t i ce q u a t i o n sa r es o l v e di nt h i sk i n e t i c s a f t e ra l l ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l ti sg i v e n ，i tr e f l e c t st h er e l a t i o nb e t w e e n t h ed e n s i t yo fe x c i t e di o d i n ea t o m a n dt i m e k e y w o r d s i o d i n e ；1 315 9 i n ；g a i n ；c 3 h 4 f 3 i 晰尔滨丁业人掌f ：学颅1 j 学位论义 1 1 课题背景 第1 章绪论 任何一种物质若通过一定的激励手段，使它实现粒子数反转分布，产生光 量子放大，并且在结构上做到使它的单程增益超过单程损耗，则利用这种物质 就可制成实际的激光器件。已经发现的具有实用价值的激光物质很多，有气 体、圆体、半导体、液体 自从1 9 6 1 年首次报道研制成氦氖激光器以来，相继出现各种原子、分 子、离子激光器。气体激光器是种类最多、应用最广泛的一类激光器。据统 计，目前气体激光器的销售量约占激光器市场的6 0 ( z , 2 l 。 气体激光器的优点主要表现在： 1 工作物质均匀致。它保证了激光束的优良光束质量，使大部分的气体 激光器能产生接近高斯分布的光束模式。在激光束的相干性、单色性方面，它 优于固体、半导体激光器。 2 谱线范围宽。有数百种气体和蒸汽可以产生激光，己经观测到的激光谱 线近万余条。谱线覆盖范围从亚微米到真空紫外波段。甚至x 射线。 3 输出激光功率大，既能连续又能脉冲工作，且效率高。气体激光器容易 实现工作物质的大体积均匀分布，且工作物质的流动性好，因此能获得很大的 功率输出。例如高功率电激励c 0 2 激光器连续输出功率已达数万瓦以上。大部 分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前，c 0 2 激光器的电光转换效 率已达到2 5 ，而c o 激光器在低温条件下可达到5 0 f 3 j 。 气体激光器还具有结构简单、运行费用低等优点，因而在工农业生产、科 学研究、国防、材料加工、医疗、测量、能源、通信、信息等领域有广泛的应 用价值【 1 5 3 。 与半导体、固体激光器相比较，气体激光器中的气体或蒸汽的离子密度较 低，因此，一般来说气体激光器的体积较大，不容易做到大能量的脉冲输出。 但是近年来发展很快，在原理、结构和技术上都有突破：超紧凑型的器件、高 气压大能量脉冲激光器不断开拓出来，开始能与固体激光器进行竞争。 气体激光器的发展方向是探索新的波段、发展颓的激光器件和应用领域。 同时，在原有激光器的基础上继续研制大功率，大能量，高光束质量，高效 哈尔涟丁业人学丁学坝i 一学位论文 率，长寿命，高可靠性及小型化的器件。 气体激光器有多种激励方式，由于产生激光作用的原子、分子和离子都是 以气体或蒸汽的形式存在于激光物质之中，因此通常都用气体放电作为激励手 段，使之达到粒子数反转状态。气体放电激励方式简便有效，但在某些条件下 它不能达到理想效果，这时也可以用其他激励手段，这些激励方式有热激励、 化学激励、光泵激励、核能激励、电子束激励等。一种气体激光器能用多种不 同的激励方式来泵浦，非常灵活，这也是气体激光器的优点之一，例如c 0 2 激 光器几乎能用上述各种激励技术来泵浦。 气体激光器的种类繁多，到目前为止最具典型的是c 0 2 激光器、h e n e 激 光器和a r + 激光器。本文将介绍另一种气体激光器碘原子激光器。 在激光诱导聚变中，需要用一束高能短脉冲激光来做氘、氚弹的核热点 火，这要求在0 1 1 n s 时间内释放约1 0 5 焦的激光脉冲能量，最好是用高效率 的短波长激光 6 1 。气体激光器更符合以上的要求，以下几点加以说明： ( 1 ) 为了使能量发射效率高，激光反转时间一定要比泵浦能量转移时间 长，气体激光器可以通过压力加宽的方法达到这一点。 ( 2 ) 气体激光器可以对流冷却，因此可以获得较高的平均功率。 ( 3 ) 气体激光器的介质气体有较高的光学损伤阈值，且不会被自聚焦效 应困扰。 在众多气体激光器中，只有c 0 2 激光器，h f d f 和碘激光器有产生高功率 的可能性。c 0 2 激光器已经有了较高的发展，并且使用横向放电激励可以使效 率高达2 0 1 7j 。在以上的三种激光器中，碘激光发射激光的波长最短 ( 1 3 1 5 p m ) 。考虑到亚纳秒脉冲激发时将能量存储在单原子能级态。丽不是加 宽的多能级分子状态( 从有效的能量释放考虑) ，所以碘原子激光器足以上三 种激光器中唯可以应用的。 碘激光器输出波长为1 3 1 5 b t m ，适合在大气中传输。它在激光武器和工业 应用等一些领域有着很好的应用前景。碘激光适用于光纤传送，也可用于工业 加工，如切割、焊接等，美国、同本及德国等已经_ 丌展了将碘激光用作工业加 工的研究悼，”】。碘激光器根据激发态碘原子产生方法的不同，可分为氧碘化学 激光器、光解离碘激光器和电解离碘激光器等几种。短波长氧碘化学激光器主 要使用在要求高功率的场合，并且在使用时是处于运动状态下，最典型的例子 就是用于车载、舰载或机载的高功率激光武器，它们必然要首选短波长化学激 光器，氧碘化学激光器已被美国军方选定为机载激光武器。电解碘激光器采用 横向放电激励，可以提供有效的能量输入，效率较高，另外，电解离容易作到 喻尔演t 业人学t 学坝i j 学位论史 重复频率的脉冲激光输出，与氧碘激光器相比，具有较高的增益，且器件体积 小重量轻。 1 2 碘激光器 目前的碘激光器主要有三种泵浦方式，分别为光解离碘原子激光器、化 学氧碘激光器和电解离碘原予激光器。 1 2 i 光解离碘激光器 某些气体或气体的混合物，在光的作用下会发生分解反应并产生激光，称 这种激光器为光解离激光器。光解离碘原子激光器的泵浦源为闪光灯，工作物 质一般采用烷基碘或其他含碘的化合物( 如c h 3 i 、c f 3 i 、c 3 f 7 i 等) 。这些物质 的吸收光谱中心在2 7 0 n m - - 2 8 0 n m 之间，吸收带宽约5 0 n m 。图1 1 为光解离 碘激光器示意图： f 力r 。7 一一一，、肾、 u 傣二三二一一遗寅黜 幽1 1 光解离碘激光器示意图 f i g 1 - 1d i a g r a mo f p h o t o d i s s o c i a t i o n i o d i n el a s e r 下面以c f 3 i 为例，说明光解碘激光器的工作原理。c f 3 1 分子会在在强紫 外光( 2 5 0 n m - - 2 9 0 n m ) 照射下发生以下反应： c f 3 i 塾坠+ c f 3 + i ，( 52 鼻，2 ) 叫，( 2 只，2 ) + 矗v 反应所发出的光子加所对应的波长是1 3 1 5 1 a m 。反应生成的激发态碘原子 的寿命非常长，约为13 0 m s ，而基态的寿命为1 0 0 “s 。所以光解离碘激光器的 放大系数非常高，在不用反射镜的条件下，一米长的激光管可获得5 0 0 w 的辐 哈尔演t 业人学t 学坝j 学位论文 射输出。激光器腔中的工作物质是气体，均匀性好，光学损伤小，且成本低 很适合作为大功率激光器或激光放大器。 1 2 2 化学氧碘激光器 化学氧碘激光器简称c o i l ，是种强激光器。化学氧碘激光器的高功 率、高光束质量和无需电源等特性。引起了国内外军事部门和工业界的极大重 视。由于它的应用价值，化学氧碘激光器在它产生以后发展极为迅速。号称2 l 世纪新式武器，用于导弹拦截的机载激光武器上所用的光源即为化学氧碘激光 器，可见它的价值。 化学氧碘激光器的能源是激发态的氧0 2 ( 1 ，) ，通过0 2 ( ) 与1 2 碰 撞使碘分子解离为l 原子，然后再传能将i 原子激发到激发态，激发态的i 原 子跃迁发出1 3 1 5 1 x m 的红外激光。下面的反应公式可以对这一过程作出基本描 述： 0 2 ( 1 a 。，) + o ，( 。，) 斗o ? ( 1 ) - i - o ， 0 2 ( ) + ，_ + o ，+ 2 1 ( 2 只，) ( 乃( 1 r ) + ，( 2 只，2 ) o ，+ ，( 2 只，2 ) i ( 2 p ) 呻i ( 2 只，) + h v ( 1 3 1 5 p r n ) 化学氧碘激光器主要由单重念氧发生器，碘蒸汽发生器，氧与碘混合喷 管，光学谐振腔和除水冷阱五个主要部件构成。主要功能就是完成上面的反 应。 1 2 3 电解离碘激光器 电激励碘激光通过放电来激励含碘原子的分子，来产生激发态的碘原子， 激发态碘原子退激发获得1 3 1 5 肛m 激光输出。这罩以c f 3 i 工作介质为例，介 绍电激励碘激光的反应过程： e + c f 3 l 斗c f _ + i + e e + i e + i + 】4 _ i + h y ( 1 3 1 5 m a ) 式中的一为强电场下产生的高能电子。在高能电子的作用下，介质中会发 生很多极其复杂的动力学过程，反应的产物也很多，这罩给出的方程式仅是与 碘原子发光有关的总反应方程式。对于具体的反应过程在以后的动力学过程中 有详细介绍。 竺尘堡! ：些叁兰! 兰竺! i 兰些丝兰。 电解离碘原子激光器由以下几部分构成： 电源：为电极的放电提供能量。 激光头：会属制作，反应发生在激光头的内部。激光头里有电极、预电离 设备、气体循环设备和电极冷却设备。 自动配气系统：用柬充放工作介质和调节并检测气压。 光学谐振腔：提供激光输出和反馈。 1 2 4 电激励碘激光器的特点 本节通过与光激励及化学激励碘激光器相比较，介绍电激励碘激光的特点 和优点。 光解离碘激光是最先实现激光输出的碘激光，由于激光介质仅能吸收闪光 灯发射的2 5 0 n m - - 2 9 0 n m 波长范围附近的光，所以效率很低，不适合实际应 用。在化学氧碘激光器出现后，对光解离碘激光的研究开始减少。 目前，技术最成熟、应用最广泛的碘激光器是化学氧碘激光器。化学氧碘 激光器的运转通过化学反应提供能量，无需外接电源即可实现高光束质量的大 功率脉冲激光输出或连续激光输出。但是，化学氧碘激光器也有自身的缺点： 首先，化学氧碘激光器体积庞大。例如，美空军实验的机载激光武器中应用的 化学氧碘激光器质量为5 9 吨( 其中有2 吨左右的化学介质) ，整台激光器安装 在一架7 4 7 4 0 0 f 型运载飞机上，体积巨大。其次，化学氧碘激光器工作前需 要预先发生化学反应，发射激光前需要一定的准备时问，将会限制它作为激光 武器的应用1 ”j 。 电激励碘激光器的能量来源是一般的电源，方便取用，很适合工业加工等 方面的应用；在没有方便取用的电源时( 如飞机、汽车或舰艇上) ，也可以配 合发电设备一起使用，同样适合于作为军用和民用激光器。 电激励碘激光与光激励谈激光相比，减少了一次电光转换过程，效率更 高；与化学激励碘激光相比，它的体积更小，发光准备时问短，更加机动灵 活。所以，开发电激励的碘激光成为旗激光的新的发展方向。 篁垒垂三些尘兰三兰竺：! 兰些耋兰 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究状况 1 9 7 5 年前苏联科学家z a l e s s k ii 和i v a n o v 提出了使用辉光放电解离碘化 物产生2 p i ，2 激发态碘原子的可能性7 ，这思想于1 9 7 6 年被美固科学家 p l e a s a n c e 和w e a v e r 通过实验证实“”“。p l e a s a n c e 和w e a v e r 使用全氟烷 基碘化物c f 3 i 作为碘源，n 2 作为缓冲气体，用横向放电激励的方式获得激光 输出。1 9 7 6 年w o n g 和b e v e r l y 使用全氟烷基碘化物c 3 f 7 i 作为碘源，h e 作为 缓冲气体，横向放电激励也获得激光输出。 氧碘化学激光器( c h e m i c a lo x y g e ni o d i n el a s e r ) ，是1 9 7 8 年幽美国空 军武器实验室的m c d e r m o t t 等人首次演示成功的，它是第一个电子跃迁化学激 光器，也是迄今为止波长最短的化学激光器。在第一台连续波氧碘化学激光器 成功运转之后，各国科学家又对其进行了逐步改进，先后实现了亚音速氧碘化 学激光器、超音速氧碘化学激光器等。目目i ，连续波氧碘化学激光器输出功率 可达兆瓦级，光束质量可接近衍射极限。 】3 1 5 耻m 激光发射最先是在1 9 6 4 年出r a s p e r 和p i m e n t e l 发现的“”。他 们在用闪光灯光解c f 3 i 和c h 3 l 时获得了激光输出。此后，在1 9 6 5 年他们用 其它六种碘烷得到激光发射，对其它几种烷基碘化物的研究表明，大部分烷基 碘化物都可以通过光解离的方法产生激光输出“射。1 9 6 6 年，d e m a r i a 和u 1 t e e 通过实验发现，全氟烷基碘化物具有较强的发射，其中i _ c 、f ，i 的效果最好。 他们用x e 闪光灯泵滴，产生能量6 5 j ，峰值功率高达1 0 ；w ( 1 5u s e c p u s e ) 的激光发射“。1 9 7 1 年，h o h a 和k a m p a 报告光解激光器的输出功率 可以达到1 0 5 瓦以上。“，他们在】o o t o r r 的气压下，用i - c 3 f 7 i 的两个放大能级 获得峰值功率高达1 2 g w 的激光脉冲。可见光解碘激光器的优点是具有高增益 及可放大性，有高功率运转的潜力，并且激光器可在高压下运转。与电解离相 比，光解离的效率低，脉冲重复率不高。 1 , 3 2 国内研究状况 中国科学院大连化学物理研究所在1 9 8 4 年实现了国际上首台光引发的脉 冲氧碘激光器( 同年前苏联科学家也获得了光引发脉冲氧碘化学激光) 。在光引 发脉冲氧碘激光器中，用光敏性碘化物c f 3 i 或c h 3 i 代替连续波氧碘化学激光 蚧尔滨t 业人学t 学铆l j 学位论丈 器中的1 2 作为碘源。此后，大连化学物理研究所又成功实现了电引发脉冲氧碘 激光器【2 1 。目前，由于引发技术的定标放大问题以及在很高功率下出现的等 离子体屏蔽问题很难解决，使脉冲型氧碘化学激光器的研究处于停滞状态。放 电引发比光引发的潜在优点是电效率可能会高很多，因为它免去了效率较低的 电光转换过程，而且光引发只能利用紫外光，其次是放电引发容易作到重复频 率的脉冲激光输出，而光引发很难作到重复频率脉冲运行。 1 4 本论文主要研究内容 ( 1 ) 观测电激励c 3 h 4 f 3 i 产生激发态碘原子的1 3 1 5 p m 的发射谱。 ( 2 ) 研究电激励c 3 h 4 f 3 i 产尘激发念碘原子1 , 3 1 5 i _ t m 辐射的小信号增益系 数。 ( 3 ) 设计电激励碘激光器的配气系统，并对碘激光的产生进行数值模拟。 尘! 兰：! ；些查兰! 茎丝；! ；兰篁丝塞 第2 章气体放电 气体放电是气体激光器的主要激励方式。在外加电场作用下，气体中产生 电流形成电离气体称之为放电现象。常用的气体激光器属于弱电离气体放电， 气体电离度很少有超过0 1 的，电子密度范围约为1 0 j o _ 1 0 ”m 3 。此外，在气 体放电现象中还会产生多种粒子以及它们之问的相互作用过程。所以说，气体 放电是个复杂的电、光、化学作用的过程。 电离气体是由电子、离子和中性粒子( 原子或分子) 组成的混合物。电离 气体中的三种粒子之间互相作用。中性粒子和离子的运动对电离气体的力学性 质起主要作用；电子和离子的运动又对气体的电学性质起主要作用。由于电子 质量小、速度快，在快速脉冲放电中，它对放电气体的电学性质影响更大。 2 1 粒子碰撞的基本规律 本小节介绍气体放电中的基本概念【2 2 j 。 2 1 j 平均自由程 在气体放电中，电子、离子和中性粒子由于无规则的热运动或者外界磁场 的作用，互相不断碰撞。两种粒子在连续两次碰撞之间的平均时间问隔称为碰 撞周期。 令浓度为n a 的第一种粒子热运动的平均能量为妻埘“2 ，令浓度为n b 的第 二种粒子热运动的平均能量为妻肌，2 ，m ，m 分别是两种粒子的质量。假定粒 子是球形的刚体，两种粒子的半径分别为t a 和，则第一种粒子在第二种粒子 中( n a n b ) 的平均自由程为 l 月。上鬲t ( 2 一1 ) n 口丌( _ + ) 2 ( 1 + 兰_ ) 2 式中，令_ = h ，可得第二种粒子在本身气体中的平均自由程为 1 兄h 2 4 , 2 n , n r b ( 2 _ 2 ) 哈尔滨t 业人学丁学坝i 学位论义 如果第一种粒子为电子( 1 3 i ) ，第二种粒子为中性气体分子或原子( n 2 ) ， 弱电离气体满足1 1 1 m ，u s 时，q ，是，的函数。如果我们知道q ，就能从下式求出单 位体积内有电离碰撞产生的离化速率 眙尔滨1 。业大学工学坝 一学位c 奁文 z ，= l n v q ，( 占) 行，厂( 占) c 拓 ( 2 8 ) 式中，p 是电子的热运动速度；f ( e ) 为电子的能量分句函数，图2 - 1 给出 的是以电子温度r 为特征的麦克斯韦分布，即 l3 ( ) ：2 ( 兰) j ( 魍) 一je x p ( 熹) ( 2 - 9 ) n k 1 。 因此，要求得离化速率或者激发速率必须知道截面以及电子的能量分布函 数，各种截面的数据大部分由实验测得，在脉冲气体放电中，电子能量分布往 往不符合麦克斯韦分布。 2 2 气体放电泵浦 放电激励是在电场作用下，阴极发射的电子在激光介质中与粒子相互作 用，使粒子获得激发的过程。 放电激励有如下三种情况： 第种，主要是利用电场的作用产生自出电子，利用其能量进行激发，这 种激发利用了电子与物质交互作用时，产生碰撞的过程( 通常是非弹性碰 撞) ，电子将其中的部分动能交给了粒子，使粒子激发，这是电子直接激励 过程，与此同时产生的过程是电子交换，由于电子是全同粒子，入射的自出电 子与处于束缚念的电子是不可分的，自由电子可能进入原子内部，置换束缚态 的电子。束缚念电子被置换成自由电子，而原自由电子进入原子内部成为束缚 电子，这时自由电子携带的动能，可以转变成位能，使原子处于激发态，这一 过程可以获得单态到三重态的跃迁。除了这种电子直接激发的情况外，放电激 励主要靠间接激发过程，即电子激励中间产物，使其激发，这一中间产物再与 我们所期望获得卸局数反转粒子能量传递，获得激发。 第二种，是利用高频电磁场( 如射频激励) 使激光介质被电离，产生的自 由电子在电场中往返运动动能增大，继而产生第一种情况，使粒子获得激发。 第三种，是靠自箍缩作用。当以高电压大电流通过气体介质时，产生的等 离予体在劳伦兹力作用下会向轴线方向产生z 箍缩( 将中心轴称为z 轴) ，即 产生向轴线均匀压缩，这时通过自加热产生高温等离予体，这种高温使介质高 度电离化，而成为一种可获短波长的激光介质。 一般的气体放电泵浦主要有两种形式：一种是连续泵浦：另一种是脉冲放 墼尘篁! ：些叁兰! ：耋丝! ：兰竺篁兰 电泵浦。连续放电泵浦的激光器，如常见的h e n e 激光器和连续的c 0 2 激光 器等。脉冲放电泵浦的激光器，如t e ac 0 2 激光器和准分子激光器等。不论 是连续泵浦方式还是脉冲泵浦方式，对其动力学研究的基本方法和步骤是相同 的。只是连续放电泵浦的动力学中，更多的是考虑稳态的过程，而脉冲放电泵 浦( 特别是快脉冲放电泵浦) 的动力学中要更加注意动念的过程对整个动力学 过程的影响。 2 2 1 带电粒子的产生和消失 本节介绍带电粒子的产生和消失的一般过程，包括带电粒子产生的条件， 带电粒子产生和消失过程的分类，气体中带电粒子消失的各种过程( 如电子与 i f 离子的空间复合、f 负离子空间复合) ，以及电离气体中电子浓度随时问变 化随时阃的变化率的速率方程。 电离气体与一般气体的差别在于电离气体中存在一定数量的带电粒子( 主 要是电子和正离子) 。带电粒子的产生和消失是一对紧密相连的过程，有时为 了增强放电，就要使带电粒子的数量增加，以使更大的电流通过气体；有时需 要抑制放电，那么就要使带电粒子的数量减少，并设法消除带电粒子，使气体 从导电状态迅速恢复到绝缘状念。所以了解气体中带电粒子产生和消失的过 程，对理解电离气体是很重要的，他是电离气体中的两种基本过程，也是研究 电离气体发光动力学的基础之一。 1 带电粒子产生的条件 要使电离气体产生的过程维持下去，必须具备产生带电粒子的条件。带电 粒子的产生过程可以分为两大类：表面电离和容积电离。表面电离是指带电粒 子产生过程发生在固体电极表面，这就是电子表面发射。容积电离是指带电粒 子的产生过程发生在气体容积之中。 电子表面发射按照外界激发能量方式的不同主要分为以下四种形式： 1 ) 热电子发射。把固体加热到足够高的温度，其内部电子能量也随之升 高，其中有一部分电子的能量足以克服阻碍他们逸出表面的势垒，丽脱离固体 进入气体。这样得到的表面发射叫热电子发射。 2 ) 光电子发射。如果用光辐射作用于固体表面。使固体内电子逸出，这 就是光电子发射。 3 ) 次级电子( 离子) 发射。如果用一定能量的电子( 或离子) 轰击固体 堕! ：鎏三些叁耋：兰竺! ；兰堡丝兰 表面，也能引起电子( 离子) 发射，称之为次级发射或二次发射。 4 ) 场致电子( 离子) 发射。当固体或液体表面存在很强的电场时，由于 表面势垒的降低和变薄，造成大量电子( 离子) 发射，这叫场致发射。 容积电离主要可分为电子碰撞电离、正离子碰撞电离、彭宁电离、热电 离、光致电离、放射性射线引起的电离等。 2 带电粒子产生的分类 主要介绍下电子碰撞电离，可分为以下四种。 ( 1 ) 电子使基态原子电离 e + a 斗p + a + + e ( 2 - 1 0 ) e 表示慢速电子( 能量小的电子) ，8 表示快速电子，a 表示基态原子，a + 表示 一次电离的正离子( 即原子失去一个电子) 。这是气体中电离的主要形式。 ( 2 ) 电子和激发原子相碰撞，发生逐次电离 一 e + a + e + a + + e ( 2 - 1 1 ) a 。表示激发原子，它的能量大于基念原子能量。逐次电离是气体中产生电 离的一个很重要的形式。当电离气体中既存在基念原子直接电离，又存在激发 态原子逐次电离时，参与电离过程的电子的平均能量降低了，降低程度取决于 逐次电离次数与直接电离次数之间的比例。引入有效电离电位矿的概念，表示 当两种电离都存在时，电子使气体粒子电离所需的平均能量，其数值在激发电 位与电离电位之间。e v 表示使原子激发所需的激发能，p k 表示使原子 直接电离所需的电离能，p f + 表示使原子电离所需的有效电离能。 ( 3 ) 电子和i f 离子碰撞使正离子进一步电离，产生这种电离，电子必须 具有很大的能量。 ( 4 ) 电子使分子电离 p + 爿曰哼p + ( 一曰) + + p ( 2 1 2 ) 以上四种过程均是由电子碰撞电离束产生电子。但是当电子能量很低，小 于电离能时，电子与气体原子碰撞不能够使原子电离，而当电子能量大于电离 能时，电子可能使原子电离，也可能不发生电离。把电子碰撞原子能够产生电 离的碰撞次数和总碰撞次数之比称为电离几率 篁尘鎏三些叁耋三兰丝! ：耋竺丝兰 j d _ ：丝：盟：盟( 2 1 3 ) 。 q ”qq q ，为电离碰撞截面，q 为碰撞截面，q 为电离碰撞总截面，q 为碰撞总截 面，n 为气体粒子浓度。 3 带电粒子消失的分类 对于带电粒子的产生过程，存在着一个逆过程，即带电粒子的消失过程。 带电粒子的消失过程可分成两类，其一是出于正负电荷复合而变成中性粒子。 其二是在外电场作用下，带电粒子进入电极而消失( 构成外电路电流) 。在稳 定放电的情况下，带电粒子的产生和消失保持平衡。在放电熄灭过程中，带电 粒子的消失占主导地位。复合过程可分为空间复合和管壁复合两类。空间复合 是指电子与正离子，或f 离子与负离子在空间因碰撞而复合成中性粒子的过 程。管壁复合是指由于电子速度快，往往电子先撞上管壁，使管壁带负电，从 而形成电场，吸引正离子向管壁运动并使币离子和电子在管壁上中和。发生管 壁复合时，正负带电粒子的相对速度很小，而且复合过程中放出的能量将直接 传递给管壁，致使管壁发热，因此这种复合很容易发生。 电子和正离子的空间复合主要有两体复合和三体复合。 ( 1 ) 两体复合 两体复合是指f 负两个带电粒子参与的复合过程。根据复合释放出能量方 式的不同，又可分为辐射复合和离解符合两种。 辐射复合是指，电子与j 下离子复合时，电子从自由态变到束缚态，同时以 光子的形式释放出多余能量。 离解复合是指，由分子形成的f 离子，它和电子的复合，往往是通过一个 很有效的方式即使分子发生离解，就是所谓的离解复合。复合过程中多余的 能量使分子离解为原子，而且离解的原子并不一定处于基态。实际上，f 离子 捕获电子后，先形成个不稳定的激发态分子，然后既可通过自电离变为电子 和f 离子也可离解为两个原子，由于离解的寿命( 约1 0 “5 s ) 比自电离寿命 ( 约1 0 1 4 s ) 短，因此激发态分子发生离解的几率很大。 ( 2 ) 三体复合 三体复合是指复合过程中除了f 负带电粒子外还有第三个粒子参与的复 合，第三个粒子的作用在于吸收多余的能量。若电子与第三个粒子先做一次弹 性碰撞，损失一部分能量，变成慢速电子，则被f 离子捕获的几率将大大增 加。两个质量相近的粒子发生弹性碰撞时，则大量交换能量，而质量小的粒子 喻尔滨t 业大学t 学硕 学位论文 与质量大的粒子发生弹性碰撞时，质量小的粒子损失的能量很少。因此，第j 个粒子如果是电子则入射电子损失能量百分数大；如果是原子或分子，则能 量损失的百分数小。这两种情况大不相同。 碰撞辐射复合是指一个j 下离子与两个电子所发生的碰撞复合，它包括碰撞 和辐射两个主要过程。在电子浓度相当高的空问，碰撞辐射复合比较容易发 生。 中性粒子稳定复合：这是指一个i f 离子与个电子，以及一个中性粒子发 生三体碰撞所产生的复合。因为与中性粒子发生弹性碰撞，电子能量损失很 小，因此中性粒子在三体复合中不能起到像附加电子那样的作用。这种复合的 复合系数相当小。但在电子浓度比较低、气压比较高( 1 0 5 p a ) 的情况下，这 过程将超过碰撞辐射复合。 难、负离子空恻复合也可分为两种类型，即两体复合和三体复台，前者主 要发生于低气压情况，后者主要发生于高气压。 ( 1 ) 两体复合 根据释放能量方式的不同，难、负离子的两体复合也可分为两类。 相互中和的两体复合，这种复合基本上是一个电荷转移过程，负离子把它 附着的电子转移给f 离子复合后，两个中性粒子并不一定都处于基念，可以是 其中一个或两个都处于激发念。且内能转换后，剩余能量变成两个中性粒子相 对运动的动能。这种复合过程发生的几率相当大。 辐射复合这种复合与电子、萨离子的两体辐射复合情况类似，发生几率 很小，通常微不足道。 ( 2 ) 三体复合 高气压离子符合，在高气压( 1 0 5 p a ) 情况，一对邻近的正负离子受库仑 力互相吸引，但由于气压过高离子平均自由程太小，因此这一对正负离子发 生复合前要与中性粒子多次碰撞，也就是说遵照漂移运动规律逐渐接近，使 f 、负离子产生漂移运动的电场就是它们之间的库仑场，这种情况，离子复合 系数与气体压力成反比。 低气压离子复合，当气压低于1 0 p a 时，由于碰撞频率减小，离子因弹性 碰撞而损失的能量也相应减少，因此离子自可相对速度比较大。又由于离子相对 速度比较大，在f 、负离子间的碰撞中，多数碰撞不发生复合，只有当正、负 离子间的库仑力足以使正、负离子吸引到互相靠近，并保持足够的相互作用时 刚才会发生复合。假如正负离子在互相碰撞之前，先和一个中性气体发生碰撞 而损失其部分能量使其速度降至接近热速度时，上述发生复合的条件就能满 i 竹尔滨t 业人学丁学坝l 学位论立 足。这种情况的离子运动不是漂移运动，而是类似于自由落体运动，当气体温 度不变时，离子复合系数与气压成正比，这是因为由较低的气压往上升时，随 气压增加，离子平均自由程减小，有利于复合。 2 2 2 电离气体中电子浓度随时间变化的速率方程 在电离气体中电子浓度m 几乎等于限离子浓度”。但在负电性气体中( 如 卤素、氧等) ，电子可能吸附到中性粒予上，形成负离子。负离子的形成将会 减少电离气体中电子的浓度。同时负离子易与正离子复合生成中性粒子，又使 正离子浓度减少，这都导致气体导电条件变差。电离气体中的带电粒子，最重 要的是电子，电子浓度随时间变化的速率方程为： ，” 兰= ，v ，一口， ：一n 。v 。一v - ，“。 ( 2 1 4 ) 式中，v ，为电子的电离碰撞频率，吃v ，表示在单位体积、单位时间内由于 碰撞电离所增加的电子数；口，为电子正离子复合系数：口，n ：表示在单位体 积、单位时间内出于复合所减少的电子数。u 为电子附着到中性粒子上的附着 频率；以表示在单位体积、单位时问内、出于形成负离子所减少的电子数； “。为电子的平均速度；v 一，“，表示