ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ САМОПОГЛОЩЕНИЯ В ЭРОЗИОННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ Ge, In, Pb, Ga, Cu НА ЕЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ÓÄÊ 533.9
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÂËÈßÍÈß ÑÀÌÎÏÎÃËÎÙÅÍÈß Â ÝÐÎÇÈÎÍÍÎÉ ËÀÇÅÐÍÎÉ ÏËÀÇÌÅ Ge, In, Pb, Ga, Cu ÍÀ ÅÅ ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
© 2008 ã.
Ì. Ï. ×ó÷ìàí, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; À. Ê. Øóàèáîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê Óæãîðîäñêèé íàöèîíàëüíûé óíèâåðñèòåò, Óæãîðîä, Óêðàèíà Å-mail: ishev@univ.uzhgorod.ua
Èññëåäîâàíà äèíàìèêà èçëó÷åíèÿ àòîìîâ èç ýðîçèîííîé ëàçåðíîé ïëàçìû, êîòîðîå âîçíèêàåò ïðè ïåðåõîäàõ èç îäíîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ íà íåñêîëüêî íèæíèõ. Îáíàðóæåíû îñöèëëÿöèè èíòåíñèâíîñòè ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé òàêîãî èçëó÷åíèÿ âî âðåìåíè. Ïîêàçàíî, ÷òî íàáëþäàåìûå îñîáåííîñòè ðàñïàäà âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì îáóñëîâëåíû ñàìîïîãëîùåíèåì. Ðàçëè÷èå ìåæäó ñîîòíîøåíèåì èíòåãðàëüíûõ ïî âðåìåíè èíòåíñèâíîñòåé èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé äëÿ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ è ñîîòíîøåíèåì âåðîÿòíîñòåé òàêèõ ïåðåõîäîâ èç-çà ñàìîïîãëîùåíèÿ ìîæåò äîõîäèòü äî 15%.  ñëó÷àå èçìåðåíèé ñ ðàçðåøåíèåì âî âðåìåíè ñàìîïîãëîùåíèå íà çàäíåì ôðîíòå ïëàçìû ìîæåò ïîëíîñòüþ èñêàæàòü âåëè÷èíó ñîîòíîøåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé ïî îòíîøåíèþ ê ñîîòíîøåíèþ èíòåíñèâíîñòåé, êîòîðîå ïîëó÷åíî íà îñíîâàíèè âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ.
Êîäû OCIS: 140.0140, 3000.0300.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.03.2008.
Ââåäåíèå
Ôóíäàìåíòàëüíûé íàó÷íûé èíòåðåñ ê ïîíèìàíèþ ôèçèêè ïðîöåññîâ, êîòîðûå èìåþò ìåñòî ïðè îáðàçîâàíèè è ýâîëþöèè ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû, îáóñëîâëåí âñå áîëåå øèðîêèì ïðàêòè÷åñêèì èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ñèíòåçà, îáðàáîòêè è àíàëèçà ìàòåðèàëîâ. Ñðåäè òèïè÷íûõ ïðèìåíåíèé ëàçåðíîé ïëàçìû ñòîèò íàçâàòü ñèíòåç íàíî÷àñòèö [1], èìïóëüñíîå ëàçåðíîå îñàæäåíèå òîíêèõ ïëåíîê [2], ãåíåðàöèþ êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ [3], èñòî÷íèêè ïëàçìû è èîíîâ [4], êà÷åñòâåííûé è êîëè÷åñòâåííûé õèìè÷åñêèé àíàëèç [5, 6]. Ëàçåðíûé ñïåêòðàëüíûé àíàëèç ñ âûñîêèì ïðîñòðàíñòâåííûì è âðåìåííûì ðàçðåøåíèåì ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ, ïðîñòûõ è íàäåæíûõ ìåòîäîâ äèàãíîñòèêè êîëè÷åñòâåííîãî è êà÷åñòâåííîãî ñîñòàâà ðàçíûõ âåùåñòâ, ïàðàìåòðîâ è õàðàêòåðèñòèê ëàçåðíîé ïëàçìû [6, 7]. Ê åãî ïðåèìóùåñòâàì ìîæíî îòíåñòè ðàáîòó ñ õèìè÷åñêè àãðåññèâíîé ñðåäîé áåç íåîáõîäèìîñòè íåïîñðåäñòâåííîãî êîíòàêòà ñ íåé, ñêîðîñòü äèàãíîñòèêè, ÷òî äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå ýôôåêòèâíûõ ìåòîäîâ in situ êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ ëàçåðíûìè òåõíîëîãè÷åñêèìè ïðîöåññàìè. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ ëàçåðíîé îáðàáîòêîé è ñèíòåçîì ìàòåðèàëîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì èçëó÷åíèÿ ëàçåðíîãî ôàêåëà íåîáõîäèìî èññëåäîâàòü ñïåöèôèêó ôîðìèðîâàíèÿ âîçáóæäåííûõ ÷àñòèö è îñîáåííîñòè ôèçèêè ïðîöåññîâ â ëàçåðíîé ïëàçìå, óñòàíîâèòü ñâÿçü ïàðàìåòðîâ ëà-
çåðíîé îáðàáîòêè è ñèíòåçà ñ èçëó÷àòåëüíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ëàçåðíîé ïëàçìû. Îñíîâíûìè îñîáåííîñòÿìè ëàçåðíîé ïëàçìû, êîòîðûå âëèÿþò íà åå ýìèññèîííûå õàðàêòåðèñòèêè è ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóþ äèíàìèêó, âûñòóïàþò: ñîñòàâ, ñêîðîñòü äâèæåíèÿ, îñîáåííîñòè ââåäåíèÿ ýíåðãèè, îñîáåííîñòè àòîìèçàöèè, îñîáåííîñòè ýíåðãåòè÷åñêîãî áàëàíñà, ðàçëè÷íûå ìåõàíèçìû îáðàçîâàíèÿ âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé, à òàêæå îñîáåííîñòè âçàèìîäåéñòâèÿ ñ âíåøíèì ãàçîì. Èññëåäîâàíèå îñîáåííîñòåé èçëó÷åíèÿ ëàçåðíîé ïëàçìû ðàñøèðÿåò âîçìîæíîñòè åå äèàãíîñòèêè, êîíòðîëÿ è ïðèìåíåíèÿ.
 äàííîé ðàáîòå ïðèâîäÿòñÿ ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ îñîáåííîñòåé ðàñïàäà âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì â ëàçåðíîé ïëàçìå íà áàçå ìèøåíåé èç ãåðìàíèÿ, ìåäè, èíäèÿ, ãàëëèÿ è ñâèíöà.
Òåõíèêà è ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
Ëàçåðíàÿ ïëàçìà ôîðìèðîâàëàñü ïðè äåéñòâèè èìïóëüñîâ ãåíåðàöèè íåîäèìîâîãî ëàçåðà, ðàáîòàþùåãî â ðåæèìå ìîäóëèðîâàííîé äîáðîòíîñòè, íà ìèøåíü èç ÷èñòîãî âåùåñòâà ãåðìàíèÿ, ìåäè, èíäèÿ, ãàëëèÿ èëè ñâèíöà. Äëèíà âîëíû ãåíåðàöèè ëàçåðà ñîñòàâëÿëà 1,06 ìêì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà – 20 íñ, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ – 12 Ãö. Ëàçåðíûé ëó÷ ïðè ïîìîùè ïîâîðîòíîé ïðèçìû è ëèíçû ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì 50 ñì ôîêóñèðîâàëñÿ íà ìèøåíü â ïÿòíî äèàìåòðîì 0,4 ìì, ÷òî ïîçâî-
8 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
ëÿëî ïîëó÷èòü óäåëüíóþ ìîùíîñòü íà ïîâåðõíîñòè 3–5×108 Âò/ñì2. Ïëàçìà ðàçëåòàëàñü â àòìîñôåðó ñ îñòàòî÷íûì äàâëåíèåì âîçäóõà 3–12 Ïà.
Èçëó÷åíèå ïëàçìû ðåãèñòðèðîâàëîñü íà ðàññòîÿíèè 1 ìì (Ge, Cu) è 7 ìì (Ge, In, Ga, Pb) îò ïîâåðõíîñòè ìèøåíè ñ âðåìåííûì ðàçðåøåíèåì 20 íñ ïðè ïîìîùè ìîíîõðîìàòîðà ÌÄÐ-2, ôîòîóìíîæèòåëÿ “Ôîòîí” è îñöèëëîãðàôà Ñ1-99. Ìèøåíü ðàñïîëàãàëàñü ïîä óãëîì 60° ê ëó÷ó ëàçåðà, à îòáîð èçëó÷åíèÿ ïðîâîäèëñÿ ïåðïåíäèêóëÿðíî ê íåìó. Áîëåå äåòàëüíî òåõíèêà ýêñïåðèìåíòà îïèñàíà â ðàáîòå [8].
Ñðàâíåíèå äèíàìèêè èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé íà ïåðåõîäàõ èç îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ íà ðàçëè÷íûå íèæíèå, â ñëó÷àå åñëè èçëó÷åíèå íàáëþäàåòñÿ íàìíîãî äîëüøå âðåìåíè æèçíè âåðõíåãî óðîâíÿ, äàåò äîïîëíèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ î ôèçèêå ïðîöåññîâ â ïëàçìå ëàçåðíîãî ôàêåëà. Áàçèðóÿñü íà èçìåðåííûõ âðåìåííûõ çàâèñèìîñòÿõ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ, âîçíèêàþùåãî ïðè èçëó÷àòåëüíîì ðàñïàäå âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî íåñêîëüêèì êàíàëàì, áûëà ðàññ÷èòàíà âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü çàñåëåííîñòè âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ
∑N = Iiλi /Ai, i
(1)
ãäå Ii – èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé àòîìîâ, λi – äëèíû âîëí èçëó÷åíèÿ, Ài – âåðîÿòíîñòè èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ íà ðàçëè÷íûå íèæíèå óðîâíè, êîòîðûå îáîçíà÷åíû èíäåêñîì i. Íåîáõîäèìûå äàííûå äëÿ âû÷èñëåíèé âçÿòû èç ðàáîòû [9].
Ðåçóëüòàòû è èõ îáñóæäåíèå
Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû ãåðìàíèÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ íàëè÷èåì ìíîæåñòâà ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, ñîîòâåòñòâóþùèõ ïåðåõîäàì èç îäíîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ íà ðàçëè÷íûå íèæíèå ýíåðãåòè÷åñêèå ñîñòîÿíèÿ. Èññëåäîâàíèå îñöèëëîãðàìì èçëó÷åíèÿ òàêèõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé íà ðàññòîÿíèè 1 è 7 ìì îò ìèøåíè (ðèñ. 1) ïîêàçàëî, ÷òî èõ èíòåíñèâíîñòü ñî âðåìåíåì èçìåíÿåòñÿ íåîäèíàêîâî. Êðîìå òîãî, íà íåêîòîðûõ ïðîìåæóòêàõ âðåìåíè ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé íå îòâå÷àåò ñîîòíîøåíèþ âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ äëÿ ðàçëè÷íûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Ïðè ýòîì çàñåëåííîñòü âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà, ñ êîòîðîãî íàáëþäàåòñÿ íåñêîëüêî èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ, ñî âðåìåíåì èçìåíÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ìîíîòîííî. Èçìåíåíèå çàñåëåííîñòè âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ ñî âðåìåíåì íàèáîëåå ìîíîòîííî â ñëó÷àå ó÷åòà ïðè ðàñ÷åòàõ âåëè÷èíû çàñåëåííîñòè âñåõ íàèáîëåå èíòåíñèâíûõ ñïåêò-
ðàëüíûõ ëèíèé, ñîîòâåòñòâóþùèõ ïåðåõîäàì ñ äàííîãî óðîâíÿ. Ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè ïëàçìû îò îäíîãî äî ñåìè ìèëëèìåòðîâ ìîíîòîííîñòü òàêîé çàâèñèìîñòè òàêæå óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî õàðàêòåðíî è äëÿ îñöèëëîãðàìì èíòåíñèâíîñòè. Íà ðàññòîÿíèè 1 ìì îò ìèøåíè ïîñëå ðåçêîãî ðîñòà çàñåëåííîñòè íàáëþäàåòñÿ åå íåçíà÷èòåëüíîå èçìåíåíèå íà ïðîòÿæåíèè ïðèìåðíî 200 íñ. Íà ïðîòÿæåíèè ýòîãî âðåìåíè íà îñöèëëîãðàììàõ èíòåíñèâíîñòè íàáëþäàåòñÿ ìàêñèìóì, ïðè÷åì, íå îäíîâðåìåííî äëÿ ðàçëè÷íûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Íà çàäíåì ôðîíòå îñöèëëîãðàìì ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé âîîáùå êàðäèíàëüíî èçìåíÿåòñÿ: íàèìåíåå èíòåíñèâíàÿ ñïåêòðàëüíàÿ ëèíèÿ â íà÷àëüíûå ìîìåíòû âðåìåíè ñòàíîâèòñÿ íàèáîëåå èíòåíñèâíîé. Çíà÷èòåëüíàÿ èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ õàðàêòåðíà äëÿ èçëó÷åíèÿ íåêîòîðûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ñ ïåðåäíåãî è çàä-
I, îòí. åä.
5 4
6
(à) 7
ln(N), îòí. åä.
12
3
0 200
I, îòí. åä. 65 4
400 600 t, íñ
(á) 7
ln(N), îòí. åä.
3
2
1
0 400 800 1200 t, íñ
Ðèñ. 1. Èçìåíåíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íà ïåðåõîäàõ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ è èçìåíåíèå çàñåëåííîñòè ýòîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìîâ ãåðìàíèÿ íà ðàññòîÿíèè: à – 1 ìì è á – 7 ìì îò ìèøåíè. Öèôðàìè îáîçíà÷åíà èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ: 1 – 422,7 íì, 2 – 303,9 íì Ge I äëÿ ïåðåõîäîâ ñ óðîâíÿ p5s 1P1 E = 4,96 ýÂ, çàñåëåííîñòü êîòîðîãî – 3. Èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ: 4 – 269,1 íì, 5 – 275,5 íì, 6 – 326,9 íì Ge I äëÿ ïåðåõîäîâ ñ óðîâíÿ p5s 3P1 E = 4,67 ýÂ, çàñåëåííîñòü êîòîðîãî – 7.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
9
íåãî ôðîíòà ïëàçìû íà ðàññòîÿíèè 7 ìì îò ìèøåíè. Íà ðàññòîÿíèè 1 ìì îò ìèøåíè äëÿ ðàçëè÷íûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ìîæåò íàáëþäàòüñÿ îäèí èëè äâà ìàêñèìóìà íà îñöèëëîãðàììàõ èíòåíñèâíîñòè, â òî âðåìÿ êàê íà ðàññòîÿíèè 7 ìì îò ìèøåíè çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè îò âðåìåíè áîëåå ìîíîòîííà. Èíòåðåñíîé îñîáåííîñòüþ âûñòóïàåò òàêæå íåîäèíàêîâîå êîëè÷åñòâî ìàêñèìóìîâ äëÿ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ. Îäèí ìàêñèìóì äëÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëü-
íîé ëèíèè 275,5 íì Ge I ÷åòêî âûäåëÿåòñÿ íà ôîíå ìèíèìóìà ìåæäó äâóìÿ ìàêñèìóìàìè äëÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíîé ëèíèè 326,9 íì Ge I. Íàëè÷èå òàêîãî çíà÷èòåëüíîãî êîëè÷åñòâà îñîáåííîñòåé ïðè ðàñïàäå âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì âûíóäèëî àâòîðîâ ïðîàíàëèçèðîâàòü äàííîå ÿâëåíèå â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå íà îñíîâå äðóãèõ ýëåìåíòîâ, ïîä÷åðêíóâ åãî õàðàêòåðíûå ÷åðòû. Òàêîå îáîáùåíèå äàåò âîçìîæíîñòü ñóäèòü î ïðè-
I, îòí. åä.
I, îòí. åä.
1 (à)
2 0,5
1
00 4
8 t, ìêñ
(â) 2
2
11
0 0 300 600 t, íñ
32
(ä)
21
1
ln(N), îòí. åä.
ln(N), îòí. åä.
ln(N), îòí. åä.
6 (á)
5
4 04
8 t, ìêñ
(ã) 6
5
4 0 300 600 t, íñ
(å) 6
4
I, îòí. åä.
I, îòí. åä.
0 0 1000 2000 3000 t, íñ 0,3 2 (æ) 0,2 1 0,1
ln(N), îòí. åä.
20 1000 2000 3000 t, íñ (ç)
4
2
0 0 500 1000 1500 t, íñ
00 500 1000 1500 t, íñ
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü îò âðåìåíè äëÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ àòîìíûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ïðè ïåðåõîäàõ ñ
îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ è èçìåíåíèå ñî âðåìåíåì äëÿ çàñåëåííîñòè ñîîòâåòñòâóþùåãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñãñInàîïëñåIëòêEîèòÿðÿ=íà: 3ëèä,üÿ0–í2âûñ2ëïåýàåÂëçêåèò,ðíìðíèàåîëèäéüè1í:ïûâ–ëåà–3çë6ñìè4ïå,íå0êèèòíèíðìä1àè,ë–2ÿü:í4–à0û43–å0,3ë5ñèï,í7íåìêèí,òèì2ð1à–Pë–b4ü21Ií77èû6,3å,ç6íë–íìèóìíGð,èîa2èâI–å1èí2–ü6å14p–,178ó0síð,32ìîPâí1CåìPíu,büI2I5è–sEã24S=–51/ó412ð,,G31î8aâíåýIìíÂEüI.n5=ÇpIî3íè2,P0àá73î/2–ýòCÂáóuîðèðIîàñEââåè=èíçíëü6öó,61÷às2:å2íæýSèÂ1–/ÿ2, íàõîäèëàñü â ñëó÷àå èíäèÿ, ñâèíöà è ãàëëèÿ íà ðàññòîÿíèè 7 ìì îò ìèøåíè, à â ñëó÷àå ìåäè íà ðàññòîÿíèè 1 ìì
îò ìèøåíè.
10 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ â ëàçåðíîé ïëàçìå ãåðìàíèÿ, èíäèÿ, ãàëëèÿ, ñâèíöà è ìåäè
λ, íì
Àòîì
Ýëåêòð. êîíô.
Òåðì âåðõíåãî ñîñòîÿíèÿ
Ýëåêòð. êîíô.
Òåðì íèæíåãî ñîñòîÿíèÿ
Åâ, ýÂ
Åí, ýÂ
À, 108 ñ–1
410,2 In I
6s
2S1/2 5p 2P1/2 3,02 0,00 0,56
451,1 In I
6s
2S1/2 5p 2P3/2 3,02 0,27 1,00
261,8 Cu I
5p
2P3/2
4s2
2D5/2
6,12 1,39 0,31
276,6 Cu I
5p
2P3/2
4s2
2D3/2
6,12 1,64 0,10
417,2 Ga I
5s
2S1/2 4p 2P3/2 3,07 0,1 1,03
403,3 Ga I
5s
2S1/2 4p 2P1/2 3,07 0 0,49
364,0 Pb I
p7s
3P1
6p2 3P1 4,38 0,97 0,32
405,8 Pb I
p7s
3P1
6p2 3P2 4,38 1,32 0,91
422,7 Ge I
p5s
1P1
4p2 1S0 4,96 2,03 0,21
303,9 Ge I
p5s
1P1
4p2 1D2 4,96 0,88 2,52
269,1 Ge I
p5s
3P1
4p2 3P1 4,67 0,07 0,52
275,5 Ge I
p5s
3P1
4p2 3P2 4,67 0,17 0,91
326,9 Ge I
p5s
3P1
4p2 1D2 4,67 0,88 0,25
÷èíàõ íàáëþäàåìûõ îñîáåííîñòåé ïîâåäåíèÿ èíòåíñèâíîñòè.
Îñöèëëîãðàììû èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé èç ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû íà îñíîâå ãàëëèÿ, èíäèÿ, ìåäè è ñâèíöà ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2 â ëåâîé êîëîíêå. Íà ýòîì æå ðèñóíêå â ïðàâîé êîëîíêå ïðåäñòàâëåíû âðåìåííûå çàâèñèìîñòè çàñåëåííîñòåé âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé, ðàññ÷èòàííûå ïî èíòåíñèâíîñòÿì èçëó÷åíèÿ íà ïåðåõîäàõ ñ äàííîãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ. Õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé àòîìîâ äëÿ âñåõ èññëåäóåìûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ñâåäåíû â òàáëèöó.  íåé ïðèâåäåíà äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ, ýëåêòðîííàÿ êîíôèãóðàöèÿ è îáîçíà÷åíèå òåðìà äëÿ âåðõíåãî è íèæíåãî óðîâíåé, ýíåðãèÿ äëÿ âåðõíåãî è íèæíåãî óðîâíåé, à òàêæå âåðîÿòíîñòü ïåðåõîäà äëÿ êàæäîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 1 è ðèñ. 2.
Èç ðèñ. 1 è 2, òàáëèöû è ðàáîò àâòîðîâ [10–12] ìîæíî ñäåëàòü âûâîäû, ÷òî îñöèëëÿöèè èíòåíñèâíîñòè â ïðîòèâîôàçå ëó÷øå âñåãî ïðîÿâëÿþòñÿ ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: â ñëó÷àå ðåçîíàíñíûõ óðîâíåé è óðîâíåé ñî çíà÷èòåëüíûìè âåðîÿòíîñòÿìè ïåðåõîäîâ; â ñëó÷àå çàïðåùåííûõ ïåðåõîäîâ, ïðîÿâëåíèå êîòîðûõ ñèëüíî çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ ïëàçìû (Pb); ïðè äîñòàòî÷íî èíòåíñèâíîì èçëó÷åíèè èîíîâ è íèçêîé òåìïåðàòóðå ýëåêòðîíîâ (In, Pb) [10, 11]; ïðè ðåçêîì èçìåíåíèè ïàðàìåòðîâ ïëàçìû èõ ýêñòðåìóìàì ñîîòâåòñòâóþò ýêñòðåìóìû îñöèëëÿöèé èíòåíñèâíîñòè [10, 12]; â ñëó÷àå äîñòàòî÷íî áîëüøîãî îòëè÷èÿ ìåæäó ýíåðãèÿìè íèæíèõ óðîâíåé è ïðåâûøåíèÿ âåëè÷èíû òåìïåðàòóðû íàä ýíåðãèåé îäíîãî èç íèæíèõ óðîâíåé äëÿ ïåðåõîäîâ ñ
îäíîãî îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ [11, 12]; ïðè íàëè÷èè â ïëàçìå çíà÷èòåëüíîãî êîëè÷åñòâà èíòåíñèâíûõ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ íà îäèí íèæíèé óðîâåíü [10]. Íåñìîòðÿ íà âñå ïåðå÷èñëåííûå îñîáåííîñòè èçëó÷àòåëüíîãî ðàñïàäà îäíîãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì, ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé èçëó÷åíèÿ äëÿ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ â ìàêñèìóìå, êàê ïðàâèëî, ñîîòâåòñòâóåò ñîîòíîøåíèþ âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ. Ïîýòîìó àâòîðû ïðåäïîëàãàþò íàëè÷èå â ëàçåðíîé ïëàçìå íåêîòîðûõ ôàêòîðîâ, ñïîñîáíûõ ïîâëèÿòü íà ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Èç âñåãî âûøåèçëîæåííîãî âûòåêàåò, ÷òî äåéñòâèå òàêèõ ôàêòîðîâ îñíîâàíî ïðåèìóùåñòâåííî íà íàëè÷èè â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå ñàìîïîãëîùåíèÿ, êîòîðîå ïðîÿâëÿåòñÿ òåì ñèëüíåå, ÷åì áîëüøå îòëè÷èå â çàñåëåííîñòÿõ íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ äëÿ èññëåäóåìûõ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ èç îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ. Íàëè÷èå ñàìîïîãëîùåíèÿ â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå îáíàðóæåíî òàêæå â ðàáîòå [13], ÷òî ïîäòâåðæäàåò ýòè âûâîäû.  ïîëüçó ñàìîïîãëîùåíèÿ ñâèäåòåëüñòâóåò òàêæå íåçíà÷èòåëüíîå ïðîÿâëåíèå îñöèëëÿöèé çàñåëåííîñòè âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ îñöèëëÿöèÿìè èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, îòâå÷àþùèõ ïåðåõîäàì ñ äàííîãî ñîñòîÿíèÿ.
Íèæíèå ñîñòîÿíèÿ äëÿ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ èç ëàçåðíîé ïëàçìû, êàê ïðàâèëî, ìåòàñòàáèëüíû, èõ âðåìÿ æèçíè íàìíîãî ïðåâûøàåò âðåìÿ íàáëþäåíèÿ èçëó÷åíèÿ èç ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû. Ïîýòîìó ïðè÷èíû, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê ïåðåðàñïðå-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
11
ln(N/g), îòí. åä.
äåëåíèþ çàñåëåííîñòè ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ â ëàçåðíîé ïëàçìå è áóäóò ïðèâîäèòü ê ñàìîïîãëîùåíèþ è, êàê ñëåäñòâèå, ê ïåðåðàñïðåäåëåíèþ èíòåíñèâíîñòè ìåæäó íåñêîëüêèìè èçëó÷àòåëüíûìè êàíàëàìè ðàñïàäà îäíîãî îáùåãî âîçáóæäåííîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî óðîâíÿ. Ñàì ôàêò ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ çàñåëåííîñòåé êàê âûñîêîýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé, òàê è íèçêîýíåðãåòè÷åñêèõ ìåòàñòàáèëüíûõ óðîâíåé ìîæíî ïðîèëëþñòðèðîâàòü íà ïðèìåðå ðèñ. 3 è ðàáîòû [14]. Èç äàííûõ ïðèìåðîâ âèäíî, ÷òî êîãäà ðàçíèöà ýíåðãèé ìåæäó óðîâíÿìè ìåíüøå ýíåðãåòè÷åñêîãî ýêâèâàëåíòà òåìïåðàòóðû ýëåêòðîíîâ, òî çàñåëåííîñòè òàêèõ óðîâíåé ìîãóò äîñòàòî÷íî ñèëüíî îòëè÷àòüñÿ. Ñðåäè ïðè÷èí òàêîãî ñïåöèôè÷åñêîãî âèäà ðàñïðåäåëåíèÿ çàñåëåííîñòåé âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî ýíåðãèÿì â ëàçåðíîé ïëàçìå ìû ìîæåì îòìåòèòü âëèÿíèå ñòîëêíîâåíèé ñî ñâîáîäíûìè ýëåêòðîíàìè. Âëèÿíèå òàêèõ ñòîëêíîâåíèé çíà÷èòåëüíî ïîâûøàåòñÿ ñ óìåíüøåíèåì ýíåðãåòè÷åñêîãî çàçîðà ìåæäó ñîñåäíèìè óðîâíÿìè. Ñóùåñòâåííûì ÿâëÿåòñÿ è çàñåëåíèå âûñîêîâîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé â ðåçóëüòàòå ðåêîìáèíàöèîííûõ ïðîöåññîâ, èçëó÷àòåëüíûé ðàñïàä êîòîðûõ ìîæåò ñåëåêòèâíî ïîâûøàòü çàñåëåííîñòü íåêîòîðûõ íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ. Òàêèì îáðàçîì ìîæíî îáúÿñíèòü ñâÿçü îñöèëëÿöèé èíòåíñèâíîñòè ñ ýêñòðåìóìàìè òåìïåðàòóðû ýëåêòðîíîâ. Äëÿ íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé âîçìîæíà òàêæå ñèòóàöèÿ, êîãäà ýíåðãèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ òåìïåðàòóðå ïëàçìû, áîëüøå ýíåðãèè îäíîãî óðîâíÿ è ìåíüøå ýíåðãèè äðóãîãî, ÷òî òàêæå ìîæåò ñóùåñòâåííî èçìåíÿòü çàñåëåííîñòè òàêèõ íèçêîýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ. Êðîìå òîãî, íà îñóùåñòâëåíèå çàïðåùåííûõ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ èç îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ âëèÿþò
6
4
2
4,5 4,8 5,1 5,4 5,7 Å, ýÂ
Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ãåðìàíèÿ ïî ýíåðãèÿì ïðè âðåìåíè 600 íñ. Ðàññòîÿíèå îò ìèøåíè 1 ìì (êðóæî÷êàìè ïîêàçàíû óñðåäíåííûå çíà÷åíèÿ çàñåëåííîñòè äëÿ áëèçëåæàùèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé).
âíåøíèå óñëîâèÿ, êîòîðûå ìîãóò ñîäåéñòâîâàòü èëè ïðîòèâîäåéñòâîâàòü èçìåíåíèþ ðàçëè÷íûõ ìîìåíòîâ êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ ýëåêòðîíà â âîçáóæäåííîì àòîìå. Íà ïåðåäíåì è çàäíåì ôðîíòå ïëàçìû èìååò ìåñòî çíà÷èòåëüíûé ãðàäèåíò êîíöåíòðàöèè, òåìïåðàòóðû, âîçìîæíî ïðîÿâëåíèå âçàèìîäåéñòâèÿ ïëàçìû ñ âíåøíèì ãàçîì è ïðîÿâëåíèå ðàçëè÷íûõ âèäîâ íåóñòîé÷èâîñòåé ïëàçìû. Ýòî óñèëèâàåò ñïåöèôèêó ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ çàñåëåííîñòåé âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî ýíåðãèÿì è, êàê ñëåäñòâèå, ïðîÿâëÿåòñÿ â íåñîîòâåòñòâèè ñîîòíîøåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ê ñîîòíîøåíèþ âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ.
Âûâîäû
Èññëåäîâàíà äèíàìèêà èçëó÷åíèÿ ýðîçèîííîé ëàçåðíîé ïëàçìû, êîòîðîå âîçíèêàåò âñëåäñòâèå ïåðåõîäîâ èç îäíîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà íà íåñêîëüêî íèæíèõ. Îáíàðóæåíû îñöèëëÿöèè â ïðîòèâîôàçå äëÿ èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé òàêîãî èçëó÷åíèÿ âî âðåìåíè. Ñäåëàíû âûâîäû, ÷òî ïåðåðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè ìåæäó èçëó÷àòåëüíûìè ïåðåõîäàìè èç îáùåãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ íà ðàçíûå íèæíèå ñîñòîÿíèÿ àòîìîâ âûçûâàåòñÿ ñàìîïîãëîùåíèåì. Ñàìîïîãëîùåíèå îáóñëîâëåíî ïåðåðàñïðåäåëåíèåì çàñåëåííîñòè íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé â ðåçóëüòàòå áåçûçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ áëèçëåæàùèõ óðîâíåé è èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ íà îïðåäåëåííûé íèçêîýíåãåòè÷åñêèé óðîâåíü. Òàêæå íà èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ìîæåò ñêàçûâàòüñÿ âîçäåéñòâèå óñëîâèé â ïëàçìå è åå ïàðàìåòðîâ ïðîÿâëåíèþ ïåðåõîäîâ, çàïðåùåííûõ ïðàâèëàìè îòáîðà.
Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû óêàçûâàþò íà íåîáõîäèìîñòü ó÷åòà ñàìîïîãëîùåíèÿ ïðè ëàçåðíîì ñïåêòðàëüíîì àíàëèçå. Òàê êàê çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå ñàìîïîãëîùåíèÿ íà çíà÷åíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íåêîòîðûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé íàáëþäàåòñÿ ïðåèìóùåñòâåíííî íà çàäíåì ôðîíòå ïëàçìû, êîãäà èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåòñÿ, òî åãî âêëàä â èçìåíåíèå èíòåãðàëüíîé ïî âðåìåíè èíòåíñèâíîñòè íåâåëèê (äî 15%). Äëÿ êîððåêòíîé äèàãíîñòèêè è êîíòðîëÿ ëàçåðíîé ïëàçìû ìåòîäàìè ñïåêòðîñêîïèè, ðàçðåøåííîé âî âðåìåíè, íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü âëèÿíèå ñàìîïîãëîùåíèÿ è îòáèðàòü äëÿ àíàëèçà ñïåêòðàëüíûå ëèíèè, íàèìåíåå ïîäâåðæåííûå åãî âëèÿíèþ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Binns C. Nanoclusters deposited on surfaces // Surface Science Reports. 2001. V. 44. P. 1–49.
12 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
12. Yi S.S., Kim I.W., Park H.L., Bae J.S., Moon B.K., Jeong J.H. Luminescence characteristics of pulsed laser deposited ZnGa2O4 thin film phosphors grown on various substrates // Journal of Crystal Growth. 2003. V. 247. P. 213–218.
13. Tallents G.J. The physics of soft x-ray lasers pumped by electron collisions in laser plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. P. R259–R276.
14. Qi B., Gilgenbach R.M., Jones M.C., Johnston M.D., Lau Y.Y., Wang L.M., Lian J., Doll G.L., Lazarides A. Diagnostic characterization of ablation plasma ion implantation // Appl. Phys. 2003. V. 93. ¹ 11. P. 8876–8883.
15. Rexer E.F., Joshi M.P., DeLeon R.L., Prasad P.N., Garvey J.F. A reactive laser ablation source for the production of thin films // Review of scientific instruments. 1998. V. 69. ¹ 8. P. 3028–3030.
16. Russo R.E., Mao X., Mao S.S. The physics of laser ablation in microchemical analysis // Analytical Chemistry. 2002. V. 74. ¹ 3. P. 70A–77A.
17. Ñóõîâ Ë.Ò. Ëàçåðíûé ñïåêòðàëüíûé àíàëèç. Íîâîñèáèðñê: Íàóêà, 1990. 143 ñ.
18. Øóàèáîâ À.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï. Èçëó÷åíèå ïëàçìû ôàêåëà, âîçíèêàþùåãî ïðè ëàçåðíîì îáëó÷åíèè ìèøåíè, ñîäåðæàùåé ñâèíåö è ãàëèé // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 10. Ñ. 19–24.
19. Smith P.L., Heise C., Esmond J.R., Kurucz R.L. Atomic spectral line database from CD-ROM 23 of R. L. Kurucz. Cambridge: Smithsonian astrophysical observatory, 1995. http://cfa-www.harvard.edu/amp.
10. Øóà³áîâ Î.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï., Øèì.. îí Ë.Ë., Êà÷åð ².Å. ëÄàîçñåëð³íäîæ.i.åïíëíàÿçìîèïòïèî÷ëí³èêõðèõñàòðààëê³÷òåíðîè.i.ñøòèèêõòòèà CïuàIðnàSì2åòòàð³.iâ.i.. ñêëàäîâèõ // Óêðà¿íñüêèé ô³çè÷íèé æóðíàë. 2003. Ò. 48. ¹ 3. Ñ. 223–231.
11. Øóàèáîâ À.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï., Êà÷åð È.Ý. Òåìïåðàòóðà è êîíöåíòðàöèÿ ýëåêòðîíîâ â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå ñâèíöà è ãàëëèÿ // Îïò. è ñïåêòð. 2006. T. 100. ¹ 3. Ñ. 397–401.
12. Øóàèáîâ À.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï. Ïàðàìåòðû ëàçåðíîé ïëàçìû íà îñíîâå ïîëèêðèñòàëà CuInS2, ìåäè è èíäèÿ // Ïèñüìà â ÆÒÔ. 2003. Ò. 29. Â. 12. Ñ. 1–6.
13. Issac R.C., Harilal S.S., Bindhu C.V., Varier G.K., Nampoori V.P.N., Vallabhan C.P.G. Anomalous profile of a self-reversed resonance line from Ba+ in a laser produced plasma from YBa2Cu3O7 // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 1997. V. 52. ¹ 12. P. 1791–1799.
14. Wang H., Ohba H., Saeki M., Miyabe M., Shibata T., Miyatake H., Iimura H. Velocity and metastable state population distributions of neodymium atoms produced by laser ablation // Appl. Phys. B. 2005. V. 81. P. 1127– 1133.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
13
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÂËÈßÍÈß ÑÀÌÎÏÎÃËÎÙÅÍÈß Â ÝÐÎÇÈÎÍÍÎÉ ËÀÇÅÐÍÎÉ ÏËÀÇÌÅ Ge, In, Pb, Ga, Cu ÍÀ ÅÅ ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
© 2008 ã.
Ì. Ï. ×ó÷ìàí, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; À. Ê. Øóàèáîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê Óæãîðîäñêèé íàöèîíàëüíûé óíèâåðñèòåò, Óæãîðîä, Óêðàèíà Å-mail: ishev@univ.uzhgorod.ua
Èññëåäîâàíà äèíàìèêà èçëó÷åíèÿ àòîìîâ èç ýðîçèîííîé ëàçåðíîé ïëàçìû, êîòîðîå âîçíèêàåò ïðè ïåðåõîäàõ èç îäíîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ íà íåñêîëüêî íèæíèõ. Îáíàðóæåíû îñöèëëÿöèè èíòåíñèâíîñòè ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé òàêîãî èçëó÷åíèÿ âî âðåìåíè. Ïîêàçàíî, ÷òî íàáëþäàåìûå îñîáåííîñòè ðàñïàäà âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì îáóñëîâëåíû ñàìîïîãëîùåíèåì. Ðàçëè÷èå ìåæäó ñîîòíîøåíèåì èíòåãðàëüíûõ ïî âðåìåíè èíòåíñèâíîñòåé èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé äëÿ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ è ñîîòíîøåíèåì âåðîÿòíîñòåé òàêèõ ïåðåõîäîâ èç-çà ñàìîïîãëîùåíèÿ ìîæåò äîõîäèòü äî 15%.  ñëó÷àå èçìåðåíèé ñ ðàçðåøåíèåì âî âðåìåíè ñàìîïîãëîùåíèå íà çàäíåì ôðîíòå ïëàçìû ìîæåò ïîëíîñòüþ èñêàæàòü âåëè÷èíó ñîîòíîøåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé ïî îòíîøåíèþ ê ñîîòíîøåíèþ èíòåíñèâíîñòåé, êîòîðîå ïîëó÷åíî íà îñíîâàíèè âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ.
Êîäû OCIS: 140.0140, 3000.0300.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.03.2008.
Ââåäåíèå
Ôóíäàìåíòàëüíûé íàó÷íûé èíòåðåñ ê ïîíèìàíèþ ôèçèêè ïðîöåññîâ, êîòîðûå èìåþò ìåñòî ïðè îáðàçîâàíèè è ýâîëþöèè ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû, îáóñëîâëåí âñå áîëåå øèðîêèì ïðàêòè÷åñêèì èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ñèíòåçà, îáðàáîòêè è àíàëèçà ìàòåðèàëîâ. Ñðåäè òèïè÷íûõ ïðèìåíåíèé ëàçåðíîé ïëàçìû ñòîèò íàçâàòü ñèíòåç íàíî÷àñòèö [1], èìïóëüñíîå ëàçåðíîå îñàæäåíèå òîíêèõ ïëåíîê [2], ãåíåðàöèþ êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ [3], èñòî÷íèêè ïëàçìû è èîíîâ [4], êà÷åñòâåííûé è êîëè÷åñòâåííûé õèìè÷åñêèé àíàëèç [5, 6]. Ëàçåðíûé ñïåêòðàëüíûé àíàëèç ñ âûñîêèì ïðîñòðàíñòâåííûì è âðåìåííûì ðàçðåøåíèåì ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ, ïðîñòûõ è íàäåæíûõ ìåòîäîâ äèàãíîñòèêè êîëè÷åñòâåííîãî è êà÷åñòâåííîãî ñîñòàâà ðàçíûõ âåùåñòâ, ïàðàìåòðîâ è õàðàêòåðèñòèê ëàçåðíîé ïëàçìû [6, 7]. Ê åãî ïðåèìóùåñòâàì ìîæíî îòíåñòè ðàáîòó ñ õèìè÷åñêè àãðåññèâíîé ñðåäîé áåç íåîáõîäèìîñòè íåïîñðåäñòâåííîãî êîíòàêòà ñ íåé, ñêîðîñòü äèàãíîñòèêè, ÷òî äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå ýôôåêòèâíûõ ìåòîäîâ in situ êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ ëàçåðíûìè òåõíîëîãè÷åñêèìè ïðîöåññàìè. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ ëàçåðíîé îáðàáîòêîé è ñèíòåçîì ìàòåðèàëîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì èçëó÷åíèÿ ëàçåðíîãî ôàêåëà íåîáõîäèìî èññëåäîâàòü ñïåöèôèêó ôîðìèðîâàíèÿ âîçáóæäåííûõ ÷àñòèö è îñîáåííîñòè ôèçèêè ïðîöåññîâ â ëàçåðíîé ïëàçìå, óñòàíîâèòü ñâÿçü ïàðàìåòðîâ ëà-
çåðíîé îáðàáîòêè è ñèíòåçà ñ èçëó÷àòåëüíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ëàçåðíîé ïëàçìû. Îñíîâíûìè îñîáåííîñòÿìè ëàçåðíîé ïëàçìû, êîòîðûå âëèÿþò íà åå ýìèññèîííûå õàðàêòåðèñòèêè è ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóþ äèíàìèêó, âûñòóïàþò: ñîñòàâ, ñêîðîñòü äâèæåíèÿ, îñîáåííîñòè ââåäåíèÿ ýíåðãèè, îñîáåííîñòè àòîìèçàöèè, îñîáåííîñòè ýíåðãåòè÷åñêîãî áàëàíñà, ðàçëè÷íûå ìåõàíèçìû îáðàçîâàíèÿ âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé, à òàêæå îñîáåííîñòè âçàèìîäåéñòâèÿ ñ âíåøíèì ãàçîì. Èññëåäîâàíèå îñîáåííîñòåé èçëó÷åíèÿ ëàçåðíîé ïëàçìû ðàñøèðÿåò âîçìîæíîñòè åå äèàãíîñòèêè, êîíòðîëÿ è ïðèìåíåíèÿ.
 äàííîé ðàáîòå ïðèâîäÿòñÿ ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ îñîáåííîñòåé ðàñïàäà âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì â ëàçåðíîé ïëàçìå íà áàçå ìèøåíåé èç ãåðìàíèÿ, ìåäè, èíäèÿ, ãàëëèÿ è ñâèíöà.
Òåõíèêà è ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
Ëàçåðíàÿ ïëàçìà ôîðìèðîâàëàñü ïðè äåéñòâèè èìïóëüñîâ ãåíåðàöèè íåîäèìîâîãî ëàçåðà, ðàáîòàþùåãî â ðåæèìå ìîäóëèðîâàííîé äîáðîòíîñòè, íà ìèøåíü èç ÷èñòîãî âåùåñòâà ãåðìàíèÿ, ìåäè, èíäèÿ, ãàëëèÿ èëè ñâèíöà. Äëèíà âîëíû ãåíåðàöèè ëàçåðà ñîñòàâëÿëà 1,06 ìêì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà – 20 íñ, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ – 12 Ãö. Ëàçåðíûé ëó÷ ïðè ïîìîùè ïîâîðîòíîé ïðèçìû è ëèíçû ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì 50 ñì ôîêóñèðîâàëñÿ íà ìèøåíü â ïÿòíî äèàìåòðîì 0,4 ìì, ÷òî ïîçâî-
8 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
ëÿëî ïîëó÷èòü óäåëüíóþ ìîùíîñòü íà ïîâåðõíîñòè 3–5×108 Âò/ñì2. Ïëàçìà ðàçëåòàëàñü â àòìîñôåðó ñ îñòàòî÷íûì äàâëåíèåì âîçäóõà 3–12 Ïà.
Èçëó÷åíèå ïëàçìû ðåãèñòðèðîâàëîñü íà ðàññòîÿíèè 1 ìì (Ge, Cu) è 7 ìì (Ge, In, Ga, Pb) îò ïîâåðõíîñòè ìèøåíè ñ âðåìåííûì ðàçðåøåíèåì 20 íñ ïðè ïîìîùè ìîíîõðîìàòîðà ÌÄÐ-2, ôîòîóìíîæèòåëÿ “Ôîòîí” è îñöèëëîãðàôà Ñ1-99. Ìèøåíü ðàñïîëàãàëàñü ïîä óãëîì 60° ê ëó÷ó ëàçåðà, à îòáîð èçëó÷åíèÿ ïðîâîäèëñÿ ïåðïåíäèêóëÿðíî ê íåìó. Áîëåå äåòàëüíî òåõíèêà ýêñïåðèìåíòà îïèñàíà â ðàáîòå [8].
Ñðàâíåíèå äèíàìèêè èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé íà ïåðåõîäàõ èç îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ íà ðàçëè÷íûå íèæíèå, â ñëó÷àå åñëè èçëó÷åíèå íàáëþäàåòñÿ íàìíîãî äîëüøå âðåìåíè æèçíè âåðõíåãî óðîâíÿ, äàåò äîïîëíèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ î ôèçèêå ïðîöåññîâ â ïëàçìå ëàçåðíîãî ôàêåëà. Áàçèðóÿñü íà èçìåðåííûõ âðåìåííûõ çàâèñèìîñòÿõ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ, âîçíèêàþùåãî ïðè èçëó÷àòåëüíîì ðàñïàäå âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî íåñêîëüêèì êàíàëàì, áûëà ðàññ÷èòàíà âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü çàñåëåííîñòè âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ
∑N = Iiλi /Ai, i
(1)
ãäå Ii – èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé àòîìîâ, λi – äëèíû âîëí èçëó÷åíèÿ, Ài – âåðîÿòíîñòè èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ íà ðàçëè÷íûå íèæíèå óðîâíè, êîòîðûå îáîçíà÷åíû èíäåêñîì i. Íåîáõîäèìûå äàííûå äëÿ âû÷èñëåíèé âçÿòû èç ðàáîòû [9].
Ðåçóëüòàòû è èõ îáñóæäåíèå
Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû ãåðìàíèÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ íàëè÷èåì ìíîæåñòâà ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, ñîîòâåòñòâóþùèõ ïåðåõîäàì èç îäíîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ íà ðàçëè÷íûå íèæíèå ýíåðãåòè÷åñêèå ñîñòîÿíèÿ. Èññëåäîâàíèå îñöèëëîãðàìì èçëó÷åíèÿ òàêèõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé íà ðàññòîÿíèè 1 è 7 ìì îò ìèøåíè (ðèñ. 1) ïîêàçàëî, ÷òî èõ èíòåíñèâíîñòü ñî âðåìåíåì èçìåíÿåòñÿ íåîäèíàêîâî. Êðîìå òîãî, íà íåêîòîðûõ ïðîìåæóòêàõ âðåìåíè ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé íå îòâå÷àåò ñîîòíîøåíèþ âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ äëÿ ðàçëè÷íûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Ïðè ýòîì çàñåëåííîñòü âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà, ñ êîòîðîãî íàáëþäàåòñÿ íåñêîëüêî èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ, ñî âðåìåíåì èçìåíÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ìîíîòîííî. Èçìåíåíèå çàñåëåííîñòè âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ ñî âðåìåíåì íàèáîëåå ìîíîòîííî â ñëó÷àå ó÷åòà ïðè ðàñ÷åòàõ âåëè÷èíû çàñåëåííîñòè âñåõ íàèáîëåå èíòåíñèâíûõ ñïåêò-
ðàëüíûõ ëèíèé, ñîîòâåòñòâóþùèõ ïåðåõîäàì ñ äàííîãî óðîâíÿ. Ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè ïëàçìû îò îäíîãî äî ñåìè ìèëëèìåòðîâ ìîíîòîííîñòü òàêîé çàâèñèìîñòè òàêæå óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî õàðàêòåðíî è äëÿ îñöèëëîãðàìì èíòåíñèâíîñòè. Íà ðàññòîÿíèè 1 ìì îò ìèøåíè ïîñëå ðåçêîãî ðîñòà çàñåëåííîñòè íàáëþäàåòñÿ åå íåçíà÷èòåëüíîå èçìåíåíèå íà ïðîòÿæåíèè ïðèìåðíî 200 íñ. Íà ïðîòÿæåíèè ýòîãî âðåìåíè íà îñöèëëîãðàììàõ èíòåíñèâíîñòè íàáëþäàåòñÿ ìàêñèìóì, ïðè÷åì, íå îäíîâðåìåííî äëÿ ðàçëè÷íûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Íà çàäíåì ôðîíòå îñöèëëîãðàìì ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé âîîáùå êàðäèíàëüíî èçìåíÿåòñÿ: íàèìåíåå èíòåíñèâíàÿ ñïåêòðàëüíàÿ ëèíèÿ â íà÷àëüíûå ìîìåíòû âðåìåíè ñòàíîâèòñÿ íàèáîëåå èíòåíñèâíîé. Çíà÷èòåëüíàÿ èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ õàðàêòåðíà äëÿ èçëó÷åíèÿ íåêîòîðûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ñ ïåðåäíåãî è çàä-
I, îòí. åä.
5 4
6
(à) 7
ln(N), îòí. åä.
12
3
0 200
I, îòí. åä. 65 4
400 600 t, íñ
(á) 7
ln(N), îòí. åä.
3
2
1
0 400 800 1200 t, íñ
Ðèñ. 1. Èçìåíåíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íà ïåðåõîäàõ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ è èçìåíåíèå çàñåëåííîñòè ýòîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìîâ ãåðìàíèÿ íà ðàññòîÿíèè: à – 1 ìì è á – 7 ìì îò ìèøåíè. Öèôðàìè îáîçíà÷åíà èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ: 1 – 422,7 íì, 2 – 303,9 íì Ge I äëÿ ïåðåõîäîâ ñ óðîâíÿ p5s 1P1 E = 4,96 ýÂ, çàñåëåííîñòü êîòîðîãî – 3. Èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ: 4 – 269,1 íì, 5 – 275,5 íì, 6 – 326,9 íì Ge I äëÿ ïåðåõîäîâ ñ óðîâíÿ p5s 3P1 E = 4,67 ýÂ, çàñåëåííîñòü êîòîðîãî – 7.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
9
íåãî ôðîíòà ïëàçìû íà ðàññòîÿíèè 7 ìì îò ìèøåíè. Íà ðàññòîÿíèè 1 ìì îò ìèøåíè äëÿ ðàçëè÷íûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ìîæåò íàáëþäàòüñÿ îäèí èëè äâà ìàêñèìóìà íà îñöèëëîãðàììàõ èíòåíñèâíîñòè, â òî âðåìÿ êàê íà ðàññòîÿíèè 7 ìì îò ìèøåíè çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè îò âðåìåíè áîëåå ìîíîòîííà. Èíòåðåñíîé îñîáåííîñòüþ âûñòóïàåò òàêæå íåîäèíàêîâîå êîëè÷åñòâî ìàêñèìóìîâ äëÿ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ. Îäèí ìàêñèìóì äëÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëü-
íîé ëèíèè 275,5 íì Ge I ÷åòêî âûäåëÿåòñÿ íà ôîíå ìèíèìóìà ìåæäó äâóìÿ ìàêñèìóìàìè äëÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíîé ëèíèè 326,9 íì Ge I. Íàëè÷èå òàêîãî çíà÷èòåëüíîãî êîëè÷åñòâà îñîáåííîñòåé ïðè ðàñïàäå âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì âûíóäèëî àâòîðîâ ïðîàíàëèçèðîâàòü äàííîå ÿâëåíèå â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå íà îñíîâå äðóãèõ ýëåìåíòîâ, ïîä÷åðêíóâ åãî õàðàêòåðíûå ÷åðòû. Òàêîå îáîáùåíèå äàåò âîçìîæíîñòü ñóäèòü î ïðè-
I, îòí. åä.
I, îòí. åä.
1 (à)
2 0,5
1
00 4
8 t, ìêñ
(â) 2
2
11
0 0 300 600 t, íñ
32
(ä)
21
1
ln(N), îòí. åä.
ln(N), îòí. åä.
ln(N), îòí. åä.
6 (á)
5
4 04
8 t, ìêñ
(ã) 6
5
4 0 300 600 t, íñ
(å) 6
4
I, îòí. åä.
I, îòí. åä.
0 0 1000 2000 3000 t, íñ 0,3 2 (æ) 0,2 1 0,1
ln(N), îòí. åä.
20 1000 2000 3000 t, íñ (ç)
4
2
0 0 500 1000 1500 t, íñ
00 500 1000 1500 t, íñ
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü îò âðåìåíè äëÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ àòîìíûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ïðè ïåðåõîäàõ ñ
îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ è èçìåíåíèå ñî âðåìåíåì äëÿ çàñåëåííîñòè ñîîòâåòñòâóþùåãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñãñInàîïëñåIëòêEîèòÿðÿ=íà: 3ëèä,üÿ0–í2âûñ2ëïåýàåÂëçêåèò,ðíìðíèàåîëèäéüè1í:ïûâ–ëåà–3çë6ñìè4ïå,íå0êèèòíèíðìä1àè,ë–2ÿü:í4–à0û43–å0,3ë5ñèï,í7íåìêèí,òèì2ð1à–Pë–b4ü21Ií77èû6,3å,ç6íë–íìèóìíGð,èîa2èâI–å1èí2–ü6å14p–,178ó0síð,32ìîPâí1CåìPíu,büI2I5è–sEã24S=–51/ó412ð,,G31î8aâíåýIìíÂEüI.n5=ÇpIî3íè2,P0àá73î/2–ýòCÂáóuîðèðIîàñEââåè=èíçíëü6öó,61÷às2:å2íæýSèÂ1–/ÿ2, íàõîäèëàñü â ñëó÷àå èíäèÿ, ñâèíöà è ãàëëèÿ íà ðàññòîÿíèè 7 ìì îò ìèøåíè, à â ñëó÷àå ìåäè íà ðàññòîÿíèè 1 ìì
îò ìèøåíè.
10 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ â ëàçåðíîé ïëàçìå ãåðìàíèÿ, èíäèÿ, ãàëëèÿ, ñâèíöà è ìåäè
λ, íì
Àòîì
Ýëåêòð. êîíô.
Òåðì âåðõíåãî ñîñòîÿíèÿ
Ýëåêòð. êîíô.
Òåðì íèæíåãî ñîñòîÿíèÿ
Åâ, ýÂ
Åí, ýÂ
À, 108 ñ–1
410,2 In I
6s
2S1/2 5p 2P1/2 3,02 0,00 0,56
451,1 In I
6s
2S1/2 5p 2P3/2 3,02 0,27 1,00
261,8 Cu I
5p
2P3/2
4s2
2D5/2
6,12 1,39 0,31
276,6 Cu I
5p
2P3/2
4s2
2D3/2
6,12 1,64 0,10
417,2 Ga I
5s
2S1/2 4p 2P3/2 3,07 0,1 1,03
403,3 Ga I
5s
2S1/2 4p 2P1/2 3,07 0 0,49
364,0 Pb I
p7s
3P1
6p2 3P1 4,38 0,97 0,32
405,8 Pb I
p7s
3P1
6p2 3P2 4,38 1,32 0,91
422,7 Ge I
p5s
1P1
4p2 1S0 4,96 2,03 0,21
303,9 Ge I
p5s
1P1
4p2 1D2 4,96 0,88 2,52
269,1 Ge I
p5s
3P1
4p2 3P1 4,67 0,07 0,52
275,5 Ge I
p5s
3P1
4p2 3P2 4,67 0,17 0,91
326,9 Ge I
p5s
3P1
4p2 1D2 4,67 0,88 0,25
÷èíàõ íàáëþäàåìûõ îñîáåííîñòåé ïîâåäåíèÿ èíòåíñèâíîñòè.
Îñöèëëîãðàììû èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé èç ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû íà îñíîâå ãàëëèÿ, èíäèÿ, ìåäè è ñâèíöà ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2 â ëåâîé êîëîíêå. Íà ýòîì æå ðèñóíêå â ïðàâîé êîëîíêå ïðåäñòàâëåíû âðåìåííûå çàâèñèìîñòè çàñåëåííîñòåé âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé, ðàññ÷èòàííûå ïî èíòåíñèâíîñòÿì èçëó÷åíèÿ íà ïåðåõîäàõ ñ äàííîãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ. Õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé àòîìîâ äëÿ âñåõ èññëåäóåìûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ñâåäåíû â òàáëèöó.  íåé ïðèâåäåíà äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ, ýëåêòðîííàÿ êîíôèãóðàöèÿ è îáîçíà÷åíèå òåðìà äëÿ âåðõíåãî è íèæíåãî óðîâíåé, ýíåðãèÿ äëÿ âåðõíåãî è íèæíåãî óðîâíåé, à òàêæå âåðîÿòíîñòü ïåðåõîäà äëÿ êàæäîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 1 è ðèñ. 2.
Èç ðèñ. 1 è 2, òàáëèöû è ðàáîò àâòîðîâ [10–12] ìîæíî ñäåëàòü âûâîäû, ÷òî îñöèëëÿöèè èíòåíñèâíîñòè â ïðîòèâîôàçå ëó÷øå âñåãî ïðîÿâëÿþòñÿ ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: â ñëó÷àå ðåçîíàíñíûõ óðîâíåé è óðîâíåé ñî çíà÷èòåëüíûìè âåðîÿòíîñòÿìè ïåðåõîäîâ; â ñëó÷àå çàïðåùåííûõ ïåðåõîäîâ, ïðîÿâëåíèå êîòîðûõ ñèëüíî çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ ïëàçìû (Pb); ïðè äîñòàòî÷íî èíòåíñèâíîì èçëó÷åíèè èîíîâ è íèçêîé òåìïåðàòóðå ýëåêòðîíîâ (In, Pb) [10, 11]; ïðè ðåçêîì èçìåíåíèè ïàðàìåòðîâ ïëàçìû èõ ýêñòðåìóìàì ñîîòâåòñòâóþò ýêñòðåìóìû îñöèëëÿöèé èíòåíñèâíîñòè [10, 12]; â ñëó÷àå äîñòàòî÷íî áîëüøîãî îòëè÷èÿ ìåæäó ýíåðãèÿìè íèæíèõ óðîâíåé è ïðåâûøåíèÿ âåëè÷èíû òåìïåðàòóðû íàä ýíåðãèåé îäíîãî èç íèæíèõ óðîâíåé äëÿ ïåðåõîäîâ ñ
îäíîãî îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ [11, 12]; ïðè íàëè÷èè â ïëàçìå çíà÷èòåëüíîãî êîëè÷åñòâà èíòåíñèâíûõ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ íà îäèí íèæíèé óðîâåíü [10]. Íåñìîòðÿ íà âñå ïåðå÷èñëåííûå îñîáåííîñòè èçëó÷àòåëüíîãî ðàñïàäà îäíîãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ ïî íåñêîëüêèì èçëó÷àòåëüíûì êàíàëàì, ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé èçëó÷åíèÿ äëÿ ïåðåõîäîâ ñ îäíîãî âåðõíåãî óðîâíÿ â ìàêñèìóìå, êàê ïðàâèëî, ñîîòâåòñòâóåò ñîîòíîøåíèþ âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ. Ïîýòîìó àâòîðû ïðåäïîëàãàþò íàëè÷èå â ëàçåðíîé ïëàçìå íåêîòîðûõ ôàêòîðîâ, ñïîñîáíûõ ïîâëèÿòü íà ñîîòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Èç âñåãî âûøåèçëîæåííîãî âûòåêàåò, ÷òî äåéñòâèå òàêèõ ôàêòîðîâ îñíîâàíî ïðåèìóùåñòâåííî íà íàëè÷èè â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå ñàìîïîãëîùåíèÿ, êîòîðîå ïðîÿâëÿåòñÿ òåì ñèëüíåå, ÷åì áîëüøå îòëè÷èå â çàñåëåííîñòÿõ íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ äëÿ èññëåäóåìûõ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ èç îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ. Íàëè÷èå ñàìîïîãëîùåíèÿ â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå îáíàðóæåíî òàêæå â ðàáîòå [13], ÷òî ïîäòâåðæäàåò ýòè âûâîäû.  ïîëüçó ñàìîïîãëîùåíèÿ ñâèäåòåëüñòâóåò òàêæå íåçíà÷èòåëüíîå ïðîÿâëåíèå îñöèëëÿöèé çàñåëåííîñòè âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ îñöèëëÿöèÿìè èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, îòâå÷àþùèõ ïåðåõîäàì ñ äàííîãî ñîñòîÿíèÿ.
Íèæíèå ñîñòîÿíèÿ äëÿ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ èç ëàçåðíîé ïëàçìû, êàê ïðàâèëî, ìåòàñòàáèëüíû, èõ âðåìÿ æèçíè íàìíîãî ïðåâûøàåò âðåìÿ íàáëþäåíèÿ èçëó÷åíèÿ èç ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìû. Ïîýòîìó ïðè÷èíû, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê ïåðåðàñïðå-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
11
ln(N/g), îòí. åä.
äåëåíèþ çàñåëåííîñòè ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ â ëàçåðíîé ïëàçìå è áóäóò ïðèâîäèòü ê ñàìîïîãëîùåíèþ è, êàê ñëåäñòâèå, ê ïåðåðàñïðåäåëåíèþ èíòåíñèâíîñòè ìåæäó íåñêîëüêèìè èçëó÷àòåëüíûìè êàíàëàìè ðàñïàäà îäíîãî îáùåãî âîçáóæäåííîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî óðîâíÿ. Ñàì ôàêò ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ çàñåëåííîñòåé êàê âûñîêîýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé, òàê è íèçêîýíåðãåòè÷åñêèõ ìåòàñòàáèëüíûõ óðîâíåé ìîæíî ïðîèëëþñòðèðîâàòü íà ïðèìåðå ðèñ. 3 è ðàáîòû [14]. Èç äàííûõ ïðèìåðîâ âèäíî, ÷òî êîãäà ðàçíèöà ýíåðãèé ìåæäó óðîâíÿìè ìåíüøå ýíåðãåòè÷åñêîãî ýêâèâàëåíòà òåìïåðàòóðû ýëåêòðîíîâ, òî çàñåëåííîñòè òàêèõ óðîâíåé ìîãóò äîñòàòî÷íî ñèëüíî îòëè÷àòüñÿ. Ñðåäè ïðè÷èí òàêîãî ñïåöèôè÷åñêîãî âèäà ðàñïðåäåëåíèÿ çàñåëåííîñòåé âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî ýíåðãèÿì â ëàçåðíîé ïëàçìå ìû ìîæåì îòìåòèòü âëèÿíèå ñòîëêíîâåíèé ñî ñâîáîäíûìè ýëåêòðîíàìè. Âëèÿíèå òàêèõ ñòîëêíîâåíèé çíà÷èòåëüíî ïîâûøàåòñÿ ñ óìåíüøåíèåì ýíåðãåòè÷åñêîãî çàçîðà ìåæäó ñîñåäíèìè óðîâíÿìè. Ñóùåñòâåííûì ÿâëÿåòñÿ è çàñåëåíèå âûñîêîâîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé â ðåçóëüòàòå ðåêîìáèíàöèîííûõ ïðîöåññîâ, èçëó÷àòåëüíûé ðàñïàä êîòîðûõ ìîæåò ñåëåêòèâíî ïîâûøàòü çàñåëåííîñòü íåêîòîðûõ íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ. Òàêèì îáðàçîì ìîæíî îáúÿñíèòü ñâÿçü îñöèëëÿöèé èíòåíñèâíîñòè ñ ýêñòðåìóìàìè òåìïåðàòóðû ýëåêòðîíîâ. Äëÿ íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé âîçìîæíà òàêæå ñèòóàöèÿ, êîãäà ýíåðãèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ òåìïåðàòóðå ïëàçìû, áîëüøå ýíåðãèè îäíîãî óðîâíÿ è ìåíüøå ýíåðãèè äðóãîãî, ÷òî òàêæå ìîæåò ñóùåñòâåííî èçìåíÿòü çàñåëåííîñòè òàêèõ íèçêîýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ. Êðîìå òîãî, íà îñóùåñòâëåíèå çàïðåùåííûõ èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ èç îáùåãî âåðõíåãî óðîâíÿ âëèÿþò
6
4
2
4,5 4,8 5,1 5,4 5,7 Å, ýÂ
Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ãåðìàíèÿ ïî ýíåðãèÿì ïðè âðåìåíè 600 íñ. Ðàññòîÿíèå îò ìèøåíè 1 ìì (êðóæî÷êàìè ïîêàçàíû óñðåäíåííûå çíà÷åíèÿ çàñåëåííîñòè äëÿ áëèçëåæàùèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé).
âíåøíèå óñëîâèÿ, êîòîðûå ìîãóò ñîäåéñòâîâàòü èëè ïðîòèâîäåéñòâîâàòü èçìåíåíèþ ðàçëè÷íûõ ìîìåíòîâ êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ ýëåêòðîíà â âîçáóæäåííîì àòîìå. Íà ïåðåäíåì è çàäíåì ôðîíòå ïëàçìû èìååò ìåñòî çíà÷èòåëüíûé ãðàäèåíò êîíöåíòðàöèè, òåìïåðàòóðû, âîçìîæíî ïðîÿâëåíèå âçàèìîäåéñòâèÿ ïëàçìû ñ âíåøíèì ãàçîì è ïðîÿâëåíèå ðàçëè÷íûõ âèäîâ íåóñòîé÷èâîñòåé ïëàçìû. Ýòî óñèëèâàåò ñïåöèôèêó ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ çàñåëåííîñòåé âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ ïî ýíåðãèÿì è, êàê ñëåäñòâèå, ïðîÿâëÿåòñÿ â íåñîîòâåòñòâèè ñîîòíîøåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé èçëó÷åíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ê ñîîòíîøåíèþ âåðîÿòíîñòåé ïåðåõîäîâ.
Âûâîäû
Èññëåäîâàíà äèíàìèêà èçëó÷åíèÿ ýðîçèîííîé ëàçåðíîé ïëàçìû, êîòîðîå âîçíèêàåò âñëåäñòâèå ïåðåõîäîâ èç îäíîãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà íà íåñêîëüêî íèæíèõ. Îáíàðóæåíû îñöèëëÿöèè â ïðîòèâîôàçå äëÿ èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé òàêîãî èçëó÷åíèÿ âî âðåìåíè. Ñäåëàíû âûâîäû, ÷òî ïåðåðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè ìåæäó èçëó÷àòåëüíûìè ïåðåõîäàìè èç îáùåãî âåðõíåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ íà ðàçíûå íèæíèå ñîñòîÿíèÿ àòîìîâ âûçûâàåòñÿ ñàìîïîãëîùåíèåì. Ñàìîïîãëîùåíèå îáóñëîâëåíî ïåðåðàñïðåäåëåíèåì çàñåëåííîñòè íèæíèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé â ðåçóëüòàòå áåçûçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ áëèçëåæàùèõ óðîâíåé è èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ íà îïðåäåëåííûé íèçêîýíåãåòè÷åñêèé óðîâåíü. Òàêæå íà èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ìîæåò ñêàçûâàòüñÿ âîçäåéñòâèå óñëîâèé â ïëàçìå è åå ïàðàìåòðîâ ïðîÿâëåíèþ ïåðåõîäîâ, çàïðåùåííûõ ïðàâèëàìè îòáîðà.
Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû óêàçûâàþò íà íåîáõîäèìîñòü ó÷åòà ñàìîïîãëîùåíèÿ ïðè ëàçåðíîì ñïåêòðàëüíîì àíàëèçå. Òàê êàê çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå ñàìîïîãëîùåíèÿ íà çíà÷åíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íåêîòîðûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé íàáëþäàåòñÿ ïðåèìóùåñòâåíííî íà çàäíåì ôðîíòå ïëàçìû, êîãäà èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåòñÿ, òî åãî âêëàä â èçìåíåíèå èíòåãðàëüíîé ïî âðåìåíè èíòåíñèâíîñòè íåâåëèê (äî 15%). Äëÿ êîððåêòíîé äèàãíîñòèêè è êîíòðîëÿ ëàçåðíîé ïëàçìû ìåòîäàìè ñïåêòðîñêîïèè, ðàçðåøåííîé âî âðåìåíè, íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü âëèÿíèå ñàìîïîãëîùåíèÿ è îòáèðàòü äëÿ àíàëèçà ñïåêòðàëüíûå ëèíèè, íàèìåíåå ïîäâåðæåííûå åãî âëèÿíèþ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Binns C. Nanoclusters deposited on surfaces // Surface Science Reports. 2001. V. 44. P. 1–49.
12 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
12. Yi S.S., Kim I.W., Park H.L., Bae J.S., Moon B.K., Jeong J.H. Luminescence characteristics of pulsed laser deposited ZnGa2O4 thin film phosphors grown on various substrates // Journal of Crystal Growth. 2003. V. 247. P. 213–218.
13. Tallents G.J. The physics of soft x-ray lasers pumped by electron collisions in laser plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. P. R259–R276.
14. Qi B., Gilgenbach R.M., Jones M.C., Johnston M.D., Lau Y.Y., Wang L.M., Lian J., Doll G.L., Lazarides A. Diagnostic characterization of ablation plasma ion implantation // Appl. Phys. 2003. V. 93. ¹ 11. P. 8876–8883.
15. Rexer E.F., Joshi M.P., DeLeon R.L., Prasad P.N., Garvey J.F. A reactive laser ablation source for the production of thin films // Review of scientific instruments. 1998. V. 69. ¹ 8. P. 3028–3030.
16. Russo R.E., Mao X., Mao S.S. The physics of laser ablation in microchemical analysis // Analytical Chemistry. 2002. V. 74. ¹ 3. P. 70A–77A.
17. Ñóõîâ Ë.Ò. Ëàçåðíûé ñïåêòðàëüíûé àíàëèç. Íîâîñèáèðñê: Íàóêà, 1990. 143 ñ.
18. Øóàèáîâ À.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï. Èçëó÷åíèå ïëàçìû ôàêåëà, âîçíèêàþùåãî ïðè ëàçåðíîì îáëó÷åíèè ìèøåíè, ñîäåðæàùåé ñâèíåö è ãàëèé // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 10. Ñ. 19–24.
19. Smith P.L., Heise C., Esmond J.R., Kurucz R.L. Atomic spectral line database from CD-ROM 23 of R. L. Kurucz. Cambridge: Smithsonian astrophysical observatory, 1995. http://cfa-www.harvard.edu/amp.
10. Øóà³áîâ Î.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï., Øèì.. îí Ë.Ë., Êà÷åð ².Å. ëÄàîçñåëð³íäîæ.i.åïíëíàÿçìîèïòïèî÷ëí³èêõðèõñàòðààëê³÷òåíðîè.i.ñøòèèêõòòèà CïuàIðnàSì2åòòàð³.iâ.i.. ñêëàäîâèõ // Óêðà¿íñüêèé ô³çè÷íèé æóðíàë. 2003. Ò. 48. ¹ 3. Ñ. 223–231.
11. Øóàèáîâ À.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï., Êà÷åð È.Ý. Òåìïåðàòóðà è êîíöåíòðàöèÿ ýëåêòðîíîâ â ëàçåðíîé ýðîçèîííîé ïëàçìå ñâèíöà è ãàëëèÿ // Îïò. è ñïåêòð. 2006. T. 100. ¹ 3. Ñ. 397–401.
12. Øóàèáîâ À.Ê., ×ó÷ìàí Ì.Ï. Ïàðàìåòðû ëàçåðíîé ïëàçìû íà îñíîâå ïîëèêðèñòàëà CuInS2, ìåäè è èíäèÿ // Ïèñüìà â ÆÒÔ. 2003. Ò. 29. Â. 12. Ñ. 1–6.
13. Issac R.C., Harilal S.S., Bindhu C.V., Varier G.K., Nampoori V.P.N., Vallabhan C.P.G. Anomalous profile of a self-reversed resonance line from Ba+ in a laser produced plasma from YBa2Cu3O7 // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 1997. V. 52. ¹ 12. P. 1791–1799.
14. Wang H., Ohba H., Saeki M., Miyabe M., Shibata T., Miyatake H., Iimura H. Velocity and metastable state population distributions of neodymium atoms produced by laser ablation // Appl. Phys. B. 2005. V. 81. P. 1127– 1133.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
13