ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2009 года по МПК H01S3/22 

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

Известно, что 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 получение высокой эффективности генерации при одновременном сохранении высокой мощности (энергии) лазерного пучка.

Известно, для обеспечения эффективной работы лазера необходимо зажигать объемный разряд с высокой однородностью. Для зажигания объемного разряда обычно применяется ультрафиолетовая предыонизация [1-7]. Также известно, что для каждой длительности импульса генерации существует своя оптимальная величина удельной мощности накачки. При превышении некоторой величины удельной мощности накачки (обычно в основном за счет повышения плотности разрядного тока j) в разряде развиваются локальные неоднородности (макроканалы - 1-2 мм в диаметре и микроканалы - 0.1 мм). Результатом развития локальных неоднородностей является снижение эффективности и энергии генерации лазера [3-5]. Основными причинами снижения генерации лазеров являются: уменьшение объема разряда и выгорание в неоднородностях галогеносодержащего вещества (HCl) за счет протекания большого тока через меньшую площадь. Развитие неоднородностей в разряде эксимерных лазеров обусловлено физикой горения (неустойчивостью) разряда в газовых смесях с галогеном [6, 7].

При снижении удельной мощности накачки сразу улучшаются условия зажигания однородного разряда, но снижается мощность (энергия) импульса лазерного излучения. Поэтому все лазеры работают как бы на некоторой границе между большой и малой удельной мощностью накачки, называемой оптимальной удельной мощностью накачки данного лазера. Величина этой мощности определяется в основном условиями зажигания объемной формы разряда и ограничена сверху развитием локальных неустойчивостей в разряде.

Данное изобретение осуществлено в лазерах с длительностью импульса накачки (на полувысоте импульса мощности накачки) 20-40 нс. Согласно литературным данным для таких лазеров на молекуле XeCl оптимальная удельная мощность накачки лежит в области 1-1.5 МВт/см³ [1-6]. КПД таких лазеров в основном составляет (1-1.5)%, и только в лучших работах около 2% [4, 7]. Энергия генерации таких лазеров обычно равна 0.1-1 Дж. Так в работе [2] авторы утверждают, что наибольшая эффективность генерации должна быть при удельной мощности накачки в диапазоне от 1 до

2 МВт/см³, при этом была получена эффективность лазера 1.5%. В работе [6] лазер с длительностью импульса 40 нс и энергией генерации 1-2 Дж работал при оптимальной удельной мощности накачки 1 МВт/см³, КПД лазера был 1.35%. В работе [3] лазер работал при удельной мощности накачки 1.5 МВт/см³, КПД лазера был на уровне 1.5%.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является эксимерный лазер, описанный в работе [7]. В данном лазере достигнута максимальная эффективность генерации 2.3%. Авторы утверждают, что эта эффективность реализуется при удельной мощности накачки ~1 МВт/см³. Эксимерный лазер состоит из резонатора и лазерной камеры с газовой смесью Ne/Xe/HCl, в которой расположены основные металлические электроды для зажигания разряда накачки и дополнительные электроды для предыонизации газа между основными электродами. Система импульсного питания разряда накачки состоит из коммутатора (тиратрон),

зарядной C₁ и разрядной С₂ емкостей и разрядной индуктивности. Принцип работы лазера заключается в следующем. После зарядки зарядной емкости C₁ включается коммутатор и энергия из зарядной емкости C₁ передается в разрядную емкость С₂ через дополнительные электроды. Вблизи максимума напряжения на разрядной емкости происходит пробой основного разрядного промежутка в лазерной камере, между основными электродами зажигается разряд накачки и производится импульс генерации.

Главный недостаток технического решения, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, является низкая эффективность генерации, ограниченная интенсивность выходного излучения и дальнейшее снижение эффективности при увеличении удельной мощности накачки. Ограничение эффективности генерации, по нашему мнению, связано с развитием локальных неоднородностей в разряде, которые еще больше проявляются при увеличении удельной мощности накачки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и мощности (энергии) генерации лазера с длительностью импульса генерации 20-40 нс.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном эксимерном лазере с длительностью импульса 20-40 нс, содержащем резонатор, камеру с газовой смесью Ne/Xe/HCl, электродами и разрядный контур, состоящий из емкости, индуктивности и коммутатора, согласно изобретению величина индуктивности разрядного контура обеспечивает скорость нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰А/см²с и зажигание разряда накачки с удельной мощностью 3±0.5 МВт/см³.

Предлагаемое изобретение основано на обеспечении такой величины индуктивности разрядного контура, при которой повышение удельной мощности накачки до 3±0.5 МВт/см³ и обеспечение скорости нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰А/см²с, не приводит к развитию локальных неоднородностей в разряде, позволяет зажечь однородный разряд и повысить как эффективность лазера, так и мощность (энергию) излучения в импульсе. Именно высокая скорость нарастания плотности разрядного тока обеспечивает более благоприятные условия для развития множества лавин с катода основного разрядного промежутка равномерно на всей рабочей площади электродов. При уменьшении величины dj/dt≥5×10¹⁰А/см²с уже возможна конкуренция между отдельными лавинами, которая при высокой удельной мощности накачки может приводить к перераспределению тока по отдельным участкам разрядного промежутка и снижению энергии лазерной генерации.

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

На чертеже представлена электрическая схема коммерческого XeCl лазера, разработанного в нашем институте. Лазер работает при частоте импульсов до 100 Гц.

Лазер состоит из лазерной камеры с газовой смесью (1), в которой расположены основные металлические электроды (2) для зажигания разряда накачки и дополнительные электроды (3) для предыонизации межэлектродного промежутка. Длина основных электродов разряда накачки равна 59 см, межэлектродное расстояние 2.24 см. Для данного межэлектродного расстояния основные электроды были выполнены по радиусу 60 см. Для другого межэлектродного расстояния радиус электродов должен быть другим. Расстояние между основными и дополнительными электродами было 25 мм. Данное расстояние ограничивалось электрической прочностью между этими электродами. Система импульсного питания разряда накачки состоит из коммутатора (тиратрон) (4), зарядной C₁ и разрядной С₂ емкостей. Величина емкостей была С₁=66 нФ, a C₂=53 нФ. Величина разрядной индуктивности была 4 нГн. Разряд зажигался в газовой смеси Ne/Xe/HCl=1000/15/1 при давлении 3.6 атм. В лазере использовался обычный плоскопараллельный резонатор.

Принцип работы лазера заключается в следующем. После зарядки зарядной емкости C₁ до напряжения (18-23) кВ включается коммутатор (4) (тиратрон) и энергия из зарядной емкости С₁ передается в разрядную С₂ через искры (3), которые возникают между дополнительными электродами и обеспечивают предварительную ионизацию газовой смеси. Вблизи максимума напряжения на разрядной емкости С₂ происходит пробой разрядного промежутка между основными электродами (2), зажигается разряд накачки и производится импульс генерации. Длительность импульса накачки лазера (на полувысоте мощности накачки) составляет 32 нс. Лазер эффективно работает при удельной мощности накачки 3±0.5 МВт/см³. Максимальная энергия генерации лазера достигает 400 мДж, а КПД=2.6%. Изменение удельной мощности накачки в большую или меньшую сторону от указанного диапазона снижает эффективность генерации лазера. При 10%-м изменении длительности импульса накачки (за счет увеличения или уменьшения величины емкостей C₁ и С₂) оптимальная удельная мощность накачки 3±0.5 МВт/см³ не изменялась.

Полученные результаты показывают возможность повышения выходных параметров XeCl лазеров с длительностью импульсов 20-40 нс за счет повышения уровня удельной мощности накачки до 3±0.5 МВт/см³. Так, при такой мощности накачки была достигнута не только более высокая эффективность генерации 2.6%, но и рекордная на настоящий момент времени интенсивность лазерного излучения 10 МВт/см³.

Использование данного изобретения позволит создавать эффективные и мощные коммерческие ХеС1 лазеры, пригодные для многих применений.

Источники информации

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

2. В.Б.Кауль, С.Э.Кунц, С.В.Мельченко. Интенсивность насыщения и спектр выходного излучения XeCl лазера // Квантовая электроника. - 1995. - В.22. - №6. - С.555-561.

3. Ageev V.P., Atezhev V.V., Bukreev V.S. Vartapetov S.V., Zhukov A.N., Konov V.I., Sevelev A.D., " Pulse - periodic excimer laser with magnetic spiker unit", Zhurnal Tehnicheskoi Phiziki, - 1986. - T.56. - P.1387 - 1389.

4. B.M.Борисов, В.Ю.Баранов, А.Ю.Виноходов и др. Квантовая электроника. - 1991. - В.18. - С.183.

5. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Д.Н.Молчанов и др. Широкоапертурный электроразрядный XeCl лазер с УФ предыонизациец и энергией генерации 20 Дж. // Квантовая электроника. - 1987. - В.14. - №8. - С.1542-1550.

6. Mel'chenko S.V., Panchenko A.N., Tarasenko V.F. High power Raman conversion of a discharge XeCl laser // Optics Communications. - 1985. - V.5. - №1. - P.51-52.

7. B.M.Борисов, И.Е.Брагин, А.Ю. Виноходов, В.А.Водчиц. Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Квантовая электроника. - 1995. - В.22. - №6. - С.533-536.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при разработке и создании мощных и эффективных эксимерных лазеров с импульсом излучения длительностью 20-40 нс. Технический результат - повышение эффективности и мощности (энергии) генерации лазера. Для достижения данного результата в эксимерном лазере величина индуктивности разрядного контура обеспечивает скорость нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰ A/см²c и зажигание разряда накачки с удельной мощностью 3±0.5 МВт/см³. 1 ил.

Эксимерный лазер длительностью импульса 20-40 нс, содержащий резонатор, камеру с Ne/Хе/HCl газом, электродами и разрядный контур, состоящий из емкости, индуктивности и коммутатора, отличающийся тем, что величина индуктивности разрядного контура обеспечивает скорость нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰ A/см²c и зажигание разряда накачки с удельной мощностью 3±0,5 МВт/см³.