Laserul cu Excimeri

Introducere

Domeniul laserilor de шаге energie cu emisie în ultraviolet sau vizibil este dominat în ultimul timp de o nouă clasă de molecule, despre a cărei exis¬tenţă erau cunoscute puţine lucruri până în 1974. Laserii cu excimeri sânt capabili să atingă eficienţe globale de peste 2 %, puteri de vârf ridicate (>10 MW/cm2) şi puteri medii foarte mari (> 1 kW).

Termenul de excimer (excited-dimer), provenind din nomenclatura chimică, se referă la dimerii (doi atomi de acelaşi tip) care se găsesc legaţi într-o stare excitată (asocierea unui atom excitat cu un atom în starea fun¬damentală) şi liberi în starea fundamentală (molecula are un caracter diso¬ciativ în această stare, componentele fiind caracterizate de stări repulsive sau uşor legate). Astfel de molecule sânt Xe2*, Ar2*, Kr2* etc. Moleculele heteronucleare (XeBr*, KrF*, ArCl* etc.), care au stări excitate legate şi stări fundamentale disociative sânt caracterizate prin termenul exciplex (exci¬ted-complex). Totuşi, în literatura de specialitate s-a încetăţenit termenul de excimer pentru toate aceste molecule, inclusiv pentru molecule asemănă¬toare cu stări fundamentale legate (XeF, XeCl).

Tranziţia între starea superioară legată şi cea inferioară nelegată (sau slab legată) poate produce efect laser şi aceste dispozitive au primit denumi¬rea de laseri cu excimeri. Datorită acestor caracteristici particulare ale mole¬culelor în care apar tranziţiile laser, laserii cu excimeri au câteva proprietăţi importante:

a) molecula în care a avut loc tranziţia laser, ajunsă pe nivelul fundamental, disociază imediat, ceea ce înseamnă că nivelul laser inferior va fi întotdeauna gol;

b) liniile laser nu sânt tranziţii de vibraţie-rotaţie bine definite (ca în laserii vibronici), ci tranziții de bandă largă, decurgând de aici posibilitatea acordării radiaţiei laser într-un domeniu spectral larg;

c) nivelul laser superior din excimer este o stare electronică coborâtă şi prin urmare este relativ rezistent la dezexcitare.

Datorită stării fundamentale repulsive a laserilor cu excimeri, sânt de aşteptat intensităţi de saturaţie mari, putându-se realiza laseri de foarte mare putere. De asemenea, eficienţa cuantică este ridicată, deoarece starea termi¬nală a tranziţiilor laser este cea fundamentală.

Laseri cu dimeri de gaze nobile

Din punct de vedere istoric, primii laseri cu excimeri puşi în funcţiune au utilizat dimerii de gaze nobile Xe2, Kr2 şi Ar2. Lungimile de undă emise se găsesc în ultravioletul îndepărtat, după cum urmează: Xe2 - 172,2 nm; Kr2 - 145, 7 nm şi Ar2 - 126,1 nm, laserii respectivi fiind cele mai puter¬nice surse laser din acest domeniu spectral. Emisia laser este de bandă largă (Δλ ≈ 20 nm), cu secţiuni transversale de emisie stimulată de aproxima¬tiv 10-17 cm2.

Basov a fost cel care a pro¬pus în 1966 folosirea gazelor nobile în stare condensată pentru obţinerea gene¬rării în ultravioletul îndepărtat şi tot el a realizat primul laser cu excimeri în 1970, prin excitarea xenonului în stare lichidă cu un fascicul puternic de electroni.

Fig. 1 – Curbele energiei potenţiale pentru xenonul molecular

Cel mai bine studiat reprezentant al acestei clase de laseri utilizează Xe2, atât în fază lichidă, cât şi în fază gazoasă. Curbele energiei potenţiale ale moleculei biatomice de xenon sânt prezen¬tate în figura 1. Cea mai coborâtă stare excitată,3 se formează din

atomii de Xe ce se găsesc pe stările 3P2 şi lS0, iar starea singlet 1 este corelată cu stările 3P1 şi 1S0 ale atomilor de Xe. Aceste stări electronice posedă câteva nivele vibraţionale. Starea electronică fundamentală a moleculei de Xe2 este disociativă pentru R0, deşi prezintă un minim van der Waals puţin adânc la distanţe internucleare substanţial mai mari ca R0. După efectuarea tranziţiei laser între nivelele electronice excitate 3 şi 1 şi respectiv starea fundamentală molecula de Xe2 se desparte în doi atomi de Xe pe stările 1S0.

Mecanismul detaliat prin care se produce Xe2* este foarte complex şi până în prezent a fost dată doar o imagine calitativă a proceselor cinetice din acest laser.

Energia incidentă, reprezentată de un fascicul intens de electroni primari ( ) contribuie la producerea ionilor atomici (60 % din energia inci¬dentă), rezultând electroni secundari ( ), iar restul energiei incidente este divizată între stări electronice legate şi accelerarea electronilor secundari cu o energie medie de aproximativ 5 - 7 eV:

Pentru un fascicul electronic cu energia de 1 MeV, pierderile prin frânare sânt mici (8 %).