СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ПРОФИЛЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ЛАЗЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1996 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в импульсных электроразрядных лазерах с предварительной ионизацией, преимущественно в широкоапертурных электроразрядных эксимерных лазерах.

Известен способ управления пространственным профилем излучения, реализованный в эксимерном лазере с УФ предыонизацией сбоку от разрядного промежутка, заключавшийся в изменении профиля электродов лазера (1).

Указанный способ позволяет, главным образом, регулировать только размер лазерного пучка в направлении поперек межэлектродного промежутка. При этом, если обычно для лазеров в направлении вдоль межэлектродного промежутка плотность энергии генерации распределена равномерно, т.е. профиль излучения близок к прямоугольному, то в направлении поперек межэлектродного промежутка профиль излучения близок к треугольному или имеет двугорбый характер. Указанным способом затруднено получение близкого к равномерному распределение плотности энергии генерации по апертуре пучка. Это ограничивает применение лазерного излучения, профилированного указанным способом, например, в области обработки материалов.

Этого недостатка лишен способ управления пространственным профилем излучения лазера, реализованный в устройстве, в котором излучение эксимерного лазера пропускается через передающее оптическое устройство, гомогенизатор, осуществляющие выравнивание плотности энергии генерации по апертуре лазерного пучка (2).

Недостатком указанного способа может быть сложность его реализации для лазерного излучения большой апертуры, а также ухудшение расходимости лазерного излучения в процессе реализации способа.

Прототипом изобретения является способ управления пространственным профилем излучения импульсного электроразрядного лазера, включающий предыонизацию промежутка между протяженными электродами, один из которых полупрозрачный, диафрагмированный потоком ионизирующего излучения (3).

Устройство, в котором реализован указанный способ, содержит расположенные вдоль оси лазера протяженные сплошной электрод, полупрозрачный электрод, предыонизатор, расположенный позади рабочей поверхности полупрозрачного электрода, и диафрагмы, размещенные между полупрозрачным электродом и предыонизатором (3).

При использовании в моноимпульсном электроразрядном эксимерном лазере указанный способ позволяет осуществлять объемный разряд в газовой смеси лазера при плоском проломе рабочей поверхности сплошного и полупрозрачного электродов, что позволяет улучшить равномерность распределения плотности энергии генерации по апертуре лазерного пучка. Предыонизация осуществляется равномерным по интенсивности потоком излучения от источника удаленного на большое, по сравнению с межэлектродным, расстояние от полупрозрачного электрода. За счет диафрагмирования и удаленности предыонизатора излучение распространяется в малом телесном угле. При этом размер пространственного профиля излучения лазера в направлении поперек межэлектродного промежутка регулируется за счет изменения апертуры диафрагм.

В устройстве для реализации указанного способа для предыонизации применяется рентгеновский источник излучения, и для диафрагмирования используются свинцовые пластины, параллельные рабочей поверхности полупрозрачного электрода.

Однако, указанные способ и устройство имеют ограничения. При увеличении апертуры лазера, становится значительной индуктивность самой разрядной области, и при использовании плоских электродов ток увеличивается в областях с меньшей индуктивностью, то есть более удаленных от центра межэлектродного промежутка. При этом профиль излучения лазера приобретает двугорбый характер, кроме тоги, при большой частоте следования импульсов разряд с плоскими электродами неустойчив из-за развития паразитных разрядов вне рабочей области электродов, что ограничивает выходную мощность лазера. В связи с этим указанный способ и устройство для его реализации не позволяют осуществлять управление пространственным профилем излучения лазера в широком диапазоне рабочих параметров.

Кроме того, в указанных способе и устройстве источник предыонизации необходимо размещать на расстоянии, во много раз (≥5) превышающем межэлектродное расстояние. В связи с этим затруденено применение нерентгеновских источников предыонизации, снижается к.п.д. предыонизатора и требуются большие энергозатраты для его работы, что снижает ресурс работы предыонизатора и уменьшает полный КПД лазера.

Технической задачей изобретения является увеличение диапазона управления пространственным профилем лазерного излучения.

Указанная задача может быть осуществлена способом управления пространственным профилем излучения импульсного электроразрядного лазера, включающий предыониэацию промежутка между протяженными электродами, один из которых полупрозрачный, диафрагмированным потоком ионизирующего излучения со стороны нерабочей поверхности полупрозрачного электрода, отличающийся тем, что поток ионизирующего излучения коллимируют в направленииях параллельных плоскости, включающей продольные оси электродов, и профилируют его интенсивность в направлении перпендикулярном плоскости, включающей продольные оси электродов, причем предыонизацию осуществляют так, чтобы апертура излучающей поверхности предыонизатора совпадала с апертурой рабочей поверхности полупрозрачного электрода.

Отличие способа может состоять также в том, что зажигание объемного разряда в межэлектродном промежутке лазера производят с регулируемой задержкой по отношению к импульсу предыонизации и осуществляют варьирование состава и давления газовой смеси лазера.

Указанный способ может быть реализован устройством конструкции, содержащим расположенные вдоль оси лазера протяженные: сплошной электрод, полупрозрачный электрод, предыонизатор, расположенный позади рабочей поверхности полупрозрачного электрода, и диафрагмы, размещенные между полупрозрачным электродом и предыонизатором.

Отличие устройства заключается в том, что с целью увеличения диапазона управления пространственным профилем лазерного излучения, между предыонизатором и полупрозрачным электродом размещен ослабитель ионизирующего излучения с переменной в направлении перпендикулярном плоскости, включающей продольные оси электродов прозрачностью, причем диафрагмы выполнены в виде протяженных пластин, расположенных вдоль полупрозрачного электрода, плоскости которых перпендикулярны его рабочей поверхности, кроме того, предыонизатор выполнен с апертурой излучающей поверхности равной апертуре рабочей поверхности полупрозрачного электрода.

Поскольку перечисленные выше аналоги и прототип не содержат признаков, сходных с признаками, отличающими заявленное изобретение от прототипа и неизвестны технические решения, в которых эти признаки используются по данному назначению, то заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

При осуществлении способа в указанном виде, в отличие от прототипа, достигается не только осуществление предыонизации в заданной области межэлектродного пространства лазера, но и обеспечивается профилирование в направлении поперек межэлектродного промежутка плотности электронов предыонизации, определяющее пространственный профиль излучения лазера. Это позволяет существенно расширить диапазон управления профилем лазерного излучения и использовать предложенный способ для лазеров с различными рабочими параметрами. Коллимирование потока ионизирующего излучения направлении вдоль межэлектродного промежутка обеспечивает заданный профиль плотности ионизирующего излучения на всем протяжении между электродами лазера. Равенство апертур поверхности полупрозрачного электрода обеспечивает управление пространственным профилем лазерного излучения по всему активному объему импульсного электроразрядного лазера.

Регулирование задержки между импульсом предыонизации и объемным разрядом, варьирование состава и давления газовой смеси лазера позволяете осуществлять оперативное управление и тонкую подстройку пространственного профиля излучения лазера за счет изменения профиля начальной плотности электронов и профиля плотности электронов, в активном объеме в процессе разряда.

На чертеже изображено схематично устройство для реализации предложенного способа. Устройство содержит предыонизатор, состоящий из источника питания - 1, подключенного к электродам 2,3 системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрической пластины 4, полупрозрачный и сплошной электроды 5,6. Между полупрозрачным электродом 5 и источником предыонизации размещены диафрагмы, выполненные в виде ряда пластин 7 и ослабитель ионизирующего излучения 8, с переменной прозрачностью, к электродам 5,6 подсоединен импульсный источник 9.

Способ управления пространственным профилем излучения импульсного электроразрядного лазера согласно фиг.1 реализуется следующим образом. При включении источника питания 1 импульс напряжения подается на электроды 2,3 предыонизатора, между которыми осуществляется скользящий разряд по поверхности диэлектрической пластины 4. Скользящий разряд по поверхности диэлектрика образует плазменный слой, служащий источником УФ излучения, апертура которого равна апертуре рабочей поверхности полупрозрачного электрода 5. Поток ионизирующего излучения при распространении в активный объем между сплошным и полупрозрачным электродами 5,6 коллимируется в направлении между электродами 5,6 диафрагмами в виде ряда пластин 7, а интенсивность потока профилируется в направлении поперек межэлектродного промежутка ослабителем с переменной прозрачностью 8. При распространении в межэлектродном промежутке коллимированный поток излучения с профилированной интенсивностью осуществляет предыонизацию. Поскольку плотность начальных электронов n_eo(x,у), где х, у соответственно координаты в направлении поперек и вдоль межэлектродного промежутка, пропорциональна, интенсивности потока ионизирущего излучения, коллимированного в направлении у, осуществляется профилирование уровня предыонизации в направлении поперек межэлектродного промежутка:

где - усредненное по координате х значение n_eo. За счет равенства апертур излучающей поверхности предыонизатора и рабочей поверхности полупрозрачного электрода профилирование плотности начальных электронов n_eo производится по всему активному объему лазера. Затем производится включение импульсного источника питания 1, обеспечивающее пробой межэлектродного промежутка с последующим вводом энергии в импульсный объемный разряд между сплошным и полупрозрачным электродами 5,6, что позволяет получить генерацию лазера.

На основании результатов рассмотрения устойчивости квазистационарной стадии импульсного объемного разряда в эксимерном лазере, профиль плотности электронов в процессе разряда, n_e(x, t), определяется профилем начальной плотности электронов:

где n_e(t) усредненное по активному объему значение n_e(t), (t) время от начала ввода энергии в объемный разряд, и зависящие от состава газовой смеси и приведенной напряженности электрического поля ν_a- частота прилипания электронов к компонентам газовой смеси, в эксимерном лазере к галогеносодержащим молекулам, частота ионизации атомов, К_o - полная константа уничтожения возбужденных атомов электронами, ν_T - частота их тушения тяжелыми частицами. Профиль плотности энергии генерации ε(x) определяется вводимой в разряд плотностью мощности W, которая, в свою очередь, зависит от n_e:

W(x,t) ≈ e•n_e(x,t)•μ_eE² (4)
где η коэффициент преобразования энерговклада в энергию излучения лазера, L длина рабочей поверхности электродов, е заряд электронов, m_e их подвижность, E напряженность электрического поля между электродами 5,6. В соответствие с (2), (3), (4) в предложенном способе за счет профилирования начальной плотности электронов путем облучения межэлектродного промежутка коллимированным широкоапертурным потоком ионизирующего излучения с профилированной интенсивностью достигается управление пространственным профилем лазерного излучения в направлении поперек межэлектронного промежутка:

В частности, количественные расчеты показывают, что для условий ввода энергии типичных для KrF-лазера, при начальном соотношении конечное соотношение плотности электронов при Е_(х) соnst. Соответственно .

По сравнению с прототипом реализуется возможность управления профилем излучения в широком диапазоне. Кроме того, близкий к пропорциональному характер зависимости профиля лазерного излучения от профиля плотности начальных электронов определяет преимущества по сравнению со способом управления профилем лазерного излучения за счет профилирования электродов, в котором, в соответствии с аналогичными расчетами, малые изменения Е_(х) вызывают резкие изменения n_е(х), и соответственно, профиля лазерного излучения; при к концу энерговклада .

При осуществлении зажигания объемного разряда с задержкой по отношению к импульсу предыонизации, за время задержки происходит рекомбинация электронов, преимущественно в областях с их повышенной плотностью. В результате выравнивается плотность начальных электронов, что позволяет, регулируя длительность задержки, осуществлять дополнительное управление пространственным профилем лазерного излучения.

При варьировании состава и давления газовой смеси лазера изменяются частоты и константы реакций с участием электронов. Это, в соответствие с (5), также позволяет осуществлять дополнительное оперативное управление пространственным профилем излучений.

Предлагаемое устройство при использовании в импульсных электродных лазерах позволяет получать желаемый пространственный профиль лазерного излучения при различных профилях электродов лазера и применять более эффективный и простой источник предыонизации.

Предложенный способ и устройство были успешно испытаны при профилировании лазерного излучения импульсно-периодического XeCl. лазера с апертурой 9•6 см².

Использование: квантовая электроника, импульсные электроразрядные лазеры с предыонизацией. Сущность изобретения: способ управления пространственным профилем лазерного излучения, включающий предыонизацию межэлектродного промежутка диафрагмированным потоком ионизирующего излучения через полупрозрачный электрод. С целью расширения диапазона профилирования поток ионизирующего излучения коллимитируют в направлениях параллельных плоскости, включающей продольные оси электродов и профилируют его интенсивность в направлении перпендикулярном указанной плоскости. Предыонизацию осуществляют так, чтобы апертура излучающей поверхности предыонизатора совпадала с апертурой рабочей поверхности полупрозрачного электрода. В устройстве для реализации способа между предыонизатором и полупрозрачным электродом размещен ослабитель с переменной в направлении перпендикулярном указанной плоскости прозрачностью и ряд пластин, расположенных вдоль полупрозрачного электрода, плоскости которых перпендикулярны его рабочей поверхности, кроме того предыонизатор выполнен с апертурой излучающей поверхности равной апертуре рабочей поверхности полупрозрачного электрода. 2 с.п. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления пространственным профилем излучения импульсного электроразрядного лазера, включающий предыонизацию промежутка между протяженными электродами, один из которых полупрозрачный, диафрагмированным потоком ионизирующего излучения со стороны нерабочей поверхности полупрозрачного электрода и ввод энергии в объемный разряд между указанными электродами, отличающийся тем, что поток ионизирующего излучения коллимируют в направлениях, параллельных плоскости, включающей продольные оси электродов, и профилируют его интенсивность в направлении, перпендикулярном плоскости, включающей продольные оси электродов, причем предыонизацию осуществляют так, чтобы апертура излучающей поверхности предыонизатора совпадала с апертурой рабочей поверхности полупрозрачного электрода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зажигание объемного разряда в межэлектродном промежутке лазера производят с регулируемой задержкой по отношению к импульсу предыонизации и осуществляют варьирование состава и давления газовой смеси лазера. 3. Устройство для управления пространственным профилем излучения импульсного лазера, содержащее расположенные вдоль оси лазера протяженные сплошной электрод, полупрозрачный электрод, предыонизатор, расположенный позади рабочей поверхности полупрозрачного электрода и диафрагмы, размещенные между полупрозрачным электродом и предыонизатором, отличающееся тем, что между предыонизатором и полупрозрачным электродом размещен ослабитель ионизирующего излучения с переменной в направлении, перпендикулярном плоскости, включающей продольные оси электродов прозрачностью, причем диафрагмы выполнены в виде протяженных пластин, расположенных вдоль полупрозрачного электрода, плоскости которых перпендикулярны его рабочей поверхности, при этом предыонизатор выполнен с апертурой излучающей поверхности, равной апертуре рабочей поверхности полупрозрачного электрода.