ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ В НЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых эксимерных лазеров.

Известно, что газовые эксимерные лазеры являются наиболее эффективными и мощными источниками в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. К настоящему времени в литературе имеется значительное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению этих лазеров. Тем не менее, и сейчас остаются актуальными исследования по улучшению параметров лазерного излучения. В этом случае представляет интерес увеличение энергосъема лазерного излучения с единицы объема (массы) лазерной смеси, нормированного на одну атмосферу лазерной смеси (Дж/атм·литр).

Известны газовые лазеры, в которых для накачки используют однородный объемный разряд, который зажигается при определенной оптимальной мощности накачки. Для зажигания объемного разряда обычно применяется ультрафиолетовая или рентгеновская предыонизация [1, 2]. Известно, что превышение оптимальной величины мощности накачки (обычно в основном за счет повышения плотности разрядного тока j) приводит к развитию в разряде неоднородностей (макроканалы - 1-2 мм в диаметре и микроканалы - 0.1 мм). Результатом развития неоднородностей является снижение энергии генерации лазера [3-5]. Основными причинами снижения генерации лазеров являются уменьшение объема разряда и выгорание в неоднородностях галогеносодержащего вещества (HCl) за счет протекания всего тока через меньшую площадь. Развитие неоднородностей в разряде эксимерных лазеров обусловлено физикой горения (неустойчивостью) разряда в газовых смесях с галогеном [6, 7].

Для эксимерных лазеров, работающих на молекуле XeCl^*, типичные значения получаемой удельной энергии генерации в объемном разряд составляют до 1 Дж/атм·литр [8]. Только в единичных работах удавалось получить более высокую удельную энергию генерации [9, 10]. Так, в работе [9] была получена удельная энергия генерации около 2.4 Дж/атм·литр. При этом авторы стремились сформировать объемный разряд с максимальной плотностью накачки, величина плотности разрядного тока j=14 кА/см². Однако для получения высокой удельной энергии генерации авторы использовали уникальную схему возбуждения на основе водяной линии с малым волновым (0.4 Ом) сопротивлением сложной конструкции. Предыонизация газа осуществлялась рентгеновским излучением (что намного сложнее и дороже ультрафиолетовой предыонизации, но обеспечивает более высокую начальную концентрацию электронов).

Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является эксимерный лазер, описанный в работе [10]. В данном лазере достигнута максимальная удельная энергия генерации 1.6 Дж/атм·литр. Эксимерный лазер состоит из камеры с газовой смесью, в которой расположены металлические электроды для предыонизации межэлектродного промежутка и зажигания разряда накачки. Система импульсного питания разряда накачки состоит из зарядного и разрядного контура. Снаружи камеры установлен резонатор лазера. Зажигание разряда производится при плотности тока j=1.1 кА/см² и величине его нарастания dj/dt=2×10¹⁰A/см²c.

Главным недостатком технического решения, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, является ограничение снимаемой удельной энергии генерации лазера вследствие развития локальной неоднородности разряда (как и во всех известных работах).

Единым техническим результатом при осуществлении группы изобретений, эксимерного лазера и способа генерации в нем является повышение удельной энергии генерации лазера.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что в известном способе получения генерации в эксимерном лазере, заключающимся в зажигании разряда накачки в газовой смеси и получении импульса лазерной генерации, согласно изобретению зажигание разряда производят при нарастании плотности разрядного тока dj/dt≥6×10¹¹ А/см²c, обеспечивающего зажигание множества макроканалов повышенной электронной плотности, равномерно распределенных по активной среде лазера.

Предложенный способ основан на обнаруженном нами факте сохранения в течение сотен наносекунд усилительных способностей плазмы, образованной так называемыми макроканалами, имеющими диаметр 1-2 мм, и заключается в формировании разряда накачки, состоящего из большого количества таких макроканалов. При расположении этих каналов вдоль электродов они образуют активную среду с более высоким коэффициентом усиления. Проблема реализации такого режима горения разряда заключается в зажигании большого числа таких каналов по всей длине разрядного промежутка. Данная проблема решается путем увеличения скорости зажигания разряда, характеризуется величиной dj/dt до величины, при которой изменяется физика зажигания разряда - на катоде формируется множество эмиссионных центров, к которым привязываются макроканалы. Данные каналы в таких условиях развиваются одновременно, каждый пропускает примерно один и тот же ток, и не возникает преимущественного развития одного из них (что обычно происходит при более медленном формировании разряда). Найденная нами экспериментальным путем необходимая скорость зажигания разряда реализуется при dj/dt≥6×10¹¹А/см². При уменьшении величины dj/dt<6×10¹¹А/см² конкуренция между отдельными каналами начинает приводить к перераспределению тока по отдельным каналам, и энергия лазера начинает уменьшаться.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что в известном эксимерном лазере, состоящем из камеры с газовой смесью, включающей электроды для предыонизации межэлектродного промежутка и зажигания разряда накачки, зарядный и разрядный контур для импульсного питания разряда накачки, резонатор, согласно изобретению разрядный контур питания разряда накачки удовлетворяет условию LC=(1-2)×10^-16 ГнФ, позволяет обеспечивать скорость нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥6×10¹¹A/см²c.

Кроме того, в эксимерном лазере, по крайней мере, один из электродов может быть выполнен в виде плазменного листа, потенциальная кромка которого расположена в максимуме электрического поля межэлектродного промежутка.

При использовании плазменных электродов (разряд по диэлектрику между металлическими кромками фольги), используемых более редко, ситуация несколько изменяется, а именно облегчаются условия зажигания множества макроканалов за счет возможности их привязки к металлической кромке фольги, расположенной в максимуме электрического поля по всей длине разрядного промежутка. При этом возможно уменьшение скорости зажигания разряда до обычной величины dj/dt=10¹⁰-10¹¹А/см².

В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения приводится пример экспериментальной реализации предлагаемого решения.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема для возбуждения лазера.

Для зажигания разряда использовалась двухконтурная схема, состоящая из зарядных емкости С₁ и индуктивности L₁, коммутатора (К), зарядного сопротивления R₃, и разрядных емкости С₂ и индуктивности L₂, металлических электродов 1, искровых промежутков 2 и разрядного промежутка 3. Емкость C₁=48 нФ набирались из конденсаторов TDK, 30 кВ, 2.7 нФ, емкость С₂=32 нФ - из конденсаторов КВИ-3, 16 кВ, 470 пФ. Индуктивности L₁=100 нГ, L₂=4 нГ. В качестве коммутатора (К) использовался тиратрон ТГИ 1000/25. Искровые промежутки предионизации располагались на расстоянии 30 мм от оси разряда с шагом 20 мм. Металлические электроды имели длину рабочей поверхности 650 мм при межэлектродном зазоре катод-анод 22 мм.

В случае замены металлического электрода и искровых промежутков на плазменный лист емкость C₁=110 нф, С₂=10 нФ, L₁=100 нГ, L₂=4 нГ.

Принцип работы схем заключается в следующем. После зарядки зарядной емкости C₁ от источника высокого напряжения через зарядное сопротивление R₃ включается коммутатор (К) и емкость C₁ через индуктивность L₁ и систему подсветки 2 начинает заряжать емкость С₂, обеспечивая предыонизацию разрядного промежутка через искры 2 (или плазменный лист). При достижении максимального напряжения на емкости С₂ наступает пробой разрядного промежутка 3 и зажигается разряд накачки, осуществляющий возбуждение лазерной среды. В резонаторе лазера возникает импульс генерации.

Эксперименты проводились в лазере с длительностью импульса накачки (тока) ˜20 не на смеси 800:20:1=Ne:Xe:HCl при давлении р=3.6 атм. Использовался плоскопараллельный резонатор длиной 950 мм, образованный кварцевой пластиной и внешним зеркалом с коэффициентом отражения 97%. Наблюдаемый разряд практически полностью состоял из множества токовых диффузных каналов (макронеоднородностей), перекрывающих весь межэлектродный промежуток. В разряде протекал ток I=45 кА. Скорость нарастания тока была dI/dt=2×10¹²A/c.

Измеренная энергия выходного излучения составила 150 мДж, что соответствует достаточно высокому КПД лазера 2 %. Из предположения того, что каналы равноудалены друг от друга, как по ширине, так и по длине разряда, расчет удельного энергосъема с такой активной среды составляет 3.9 Дж/(литр×атм). Плотность разрядного тока составляет j˜9 кА/см².

Для случая с плазменным листом эксперименты проводились в лазере с полной длительностью импульса накачки (тока) ˜300 нс на смеси 1400:10:1=Ne:Xe:HCl при давлении р=4 атм. При этом разряд практически полностью состоял из множества токовых диффузных каналов (макронеоднородностей), привязанных к области кромки фольги плазменного листа в максимуме электрического поля. Зажигание диффузных каналов с поперечным размером ˜1 мм и числом каналов на 1 см n˜6-8 см^-1 вдоль электрода длиной 60 см позволило получить активную среду с коэффициентом усиления g₀ ˜ 15 %/см^-1, в течение 100 нс на полувысоте интенсивности лазерного пучка. В этом случае через разряд протекал ток с плотностью j≥1 кА/см².

Полученные результаты показывают возможность формирования активной среды, позволяющей получать удельную энергию генерации до 3.9 Дж/(литр×атм), превышающую более чем в 2 раза удельную энергию генерации, полученную при реализации известных решений.

Использование данного изобретения позволяет создавать эксимерные лазеры с повышенной плотностью энергии генерации и коэффициента усиления, что очень важно, например, при создании задающего генератора с большими селективными потерями в резонаторе либо для создания компактных лазеров с уменьшенным активным объемом, но высокими энергетическими параметрами.

Источники информации

1. R.S.Taylor and K.E.Leopold. Microsecond duration optical pulses from a UV-preionized XeCl laser. Appl. Phys. Letters. 47 (2), 81-83,1985.

2. L.F.Champagne. Current rise-time limitation of the large volume x-ray preionized discharge-pumped XeCl laser. J. Appl. Phys. 62(5), 1576-1583,1987.

3. Taylor R.S. Preionization and discharge stability study of long optical pulse duration UV-preionized XeCl laser. Appl. Phys. B, Vol.41, p. 1-5, 1986.

4. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов (М. Энергоатомиздат, 1988).

5. Kushwr MS, IEEE Trans. Plasma Sri., Vol.19, p.387-393,1991.

6. Dreiskemper R., Botticher W., IEEE Trans. Plasma Sri., Vol.23, p.987-991,1995.

7. R.Rivat, M.Legentil, S. Pasquiers and V.Puech. lonization-attachment balance in Ne-HCl pulsed discharge. J.Phys. D: Appl. Phys., 26,1061-1066, 1993.

8. Миязаки (К.Miyazaki), Тода (Y.Toda), Хасама (Т.Hasama), Сато (Т.Sato), Компактный эффективный газоразрядный лазер на XeCl с атоматической УФ-предыонизацией. Приборы для научных исследований, №2, 23-266 1985.

9. Dennis Lo, Jing-Gang Xie, A megawatt excimer laser of small discharge volume (3.8 cm). Optical and Quantum electronics, vol.21, 147150, 1989.

10. Masakatdu Sugii, Makoto Okabe, Akio Watanabe, and Keisuke Sasaki, Single-stage high-beam-quality XeCl laser with a phase-conjugate Brillouin mirror, IEE J. of Quantum electronics, Vol24, #11, 2264-2269, 1988.

Эксимерный лазер состоит из камеры с газовой смесью и включает электроды для предыонизации межэлектродного промежутка и зажигания разряда накачки, зарядный и разрядный контур для импульсного питания разряда накачки, резонатор. По крайней мере, один из электродов выполнен в виде плазменного листа, потенциальная кромка которого расположена в максимуме электрического поля межэлектродного промежутка. Разрядный контур удовлетворяет условию LC=(1-2)×10^-16(ГнФ), где L - индуктивность разрядного контура, С - емкость разрядного контура. Способ получения генерации в эксимерном лазере заключается в зажигании разряда накачки в газовой смеси Ne/Xe/HCl и получении импульса лазерной генерации. Зажигание разряда накачки производят при нарастании плотности разрядного тока, обеспечивающего зажигание множества макроканалов повышенной электронной плотности, равномерно распределенных по активной среде лазера. При этом, по крайней мере, один из электродов для предыонизации межэлектродного промежутка и зажигания разряда накачки выполнен в виде плазменного листа, потенциальная кромка которого расположена в максимуме электрического поля межэлектродного промежутка. Технический результат - повышение удельной энергии генерации лазера. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Эксимерный лазер, состоящий из камеры с газовой смесью, включающей электроды для предыонизации межэлектродного промежутка и зажигания разряда накачки, зарядный и разрядный контур для импульсного питания разряда накачки, резонатор, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из электродов выполнен в виде плазменного листа, потенциальная кромка которого расположена в максимуме электрического поля межэлектродного промежутка, а разрядный контур удовлетворяет условию LC=(1-2)×10^-16(ГнФ),

где L - индуктивность разрядного контура;

С - емкость разрядного контура.