ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2014 года по МПК H01S3/03 

Область техники.

Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности эксимерных, лазеров.

Уровень техники

Эксимерные лазеры являются наиболее мощными источниками направленного излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. В зависимости от состава газа эксимерные лазеры излучают на переходах различных молекул: ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), ХеВr (282 нм), ХеСl (308 нм), XeF (351 нм). Лазеры на молекулярном фторе F₂ (157 нм) близки к эксимерным лазерам по составу газа и способу накачки. Наиболее эффективными, с кпд около 3%, высокоэнергетичными, до ~1 Дж/импульс, и мощными, до 600 Вт, являются KrF и ХеСl лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 3D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом лазерной абляции, мощные УФ лидары. ArF лазеры благодаря оптимально короткой длине волны, позволяющей использовать надежную кварцевую оптику, широко применяются в крупномасштабном литографическом производстве интегральных схем с характерным размером элементов лишь в несколько десятков нм.

В соответствии с потребностями современных высокопроизводительных технологий с использованием эксимерных лазеров их мощность постоянно возрастает. Однако повышение энергии и мощности излучения газоразрядных эксимерных лазеров имеет фундаментальные физические ограничения, которые при превышении оптимальных значений энергии генерации и частоты повторения импульсов обусловливают уменьшение эффективности лазера, снижение надежности и стабильности его работы и, в конечном счете, увеличение затрат на эксплуатацию лазера.

Все это определяет актуальность поиска решений, позволяющих оптимизировать конструкцию и метод работы эксимерных лазеров, повысить их мощность и снизить затраты на получение энергии генерации при различных сочетаниях энергии генерации и частоты повторения импульсов.

Известен импульсно-периодический газоразрядный лазер с предыонизацией слаботочным коронным разрядом, United States Patent 6782030, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены вблизи высоковольтного электрода, размещенного со стороны стенки лазерной камеры. Для совместимости с агрессивной средой лазера предложено использовать конденсаторы с покрытием из инертного материала.

Недостатком данного технического решения является то, что в состав керамических конденсаторов входят компоненты, например припой, которые в случае нарушения защитного слоя при воздействии на них F2 или НСl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности существующих керамических конденсаторов, предназначенных для работы в электрически прочной среде, не позволяет заряжать их до номинального напряжения. Это резко снижает энергозапас конденсаторов при их размещении в газовой среде лазера, не позволяя достичь высоких уровней энергии генерации и мощности лазера.

Этого недостатка лишен газоразрядный эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлической лазерной камеры, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом, Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. Устройство лазера и способ генерации лазерного излучения позволяют увеличивать апертуру разряда и соответственно энергию генерации, и среднюю мощность излучения лазера. Малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокой эффективности лазера, достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца в результате уменьшения механической нагрузки на нем при выравнивании внутреннего и наружного давлений.

Недостатками указанного устройства и способа генерации лазерного излучения являются сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновского блока предыонизации обусловливает применение слишком сложной лазерной камеры, поперечное сечение которой имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерной камеры сложной формы при ее заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем керамического фланца.

Известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двухлучевой лазер VYPER, Coherent Inc. Excimer Product Guide 2011, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактный лазера, аналогичных описанным в United States Patent 6757315, каждый из которых содержит корпус в виде металлической трубы, на которой крепится компактная керамическая разрядная камера с протяженным металлическим фланцем. На высоковольтном металлическом фланце керамической камеры установлены высоковольтный электрод и блок предыонизации. Способ генерации лазерного излучения предусматривает одновременную синхронизированную накачку двух идентичных лазеров и совмещение двух параллельных лазерных лучей вне лазера.

Данные устройство и способ обеспечивают параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений при уровне энергии генерации 1 Дж/импульс и мощности лазерного УФ-излучения 600 Вт на каждый лазер с длиной электродов около 1 м.

Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за использования в каждом из ее лазеров предыонизации слаботочным коронным разрядом и ограниченных размеров керамической разрядной камеры, установленной на металлическом корпусе с системой циркуляции газа. Поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению дальнейшего повышения частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.

Наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является газоразрядный, в частности эксимерный, лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации для предыонизации газа между первым и вторым электродами; систему циркуляции газа для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны от электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами для возбуждения газовой смеси лазера, и резонатор для генерации луча лазера, Patent ЕР 1525646 В1. Способ генерации лазерного излучения включает в себя осуществление предыонизации газа между первым и вторым электродами, импульсную зарядку конденсаторов, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию луча лазера.

В лазере реализуются возможность увеличения объема активной газовой среды при обеспечении высокого однородного уровня ее предыонизации и высокая скорость прокачки газа между электродами. В результате достигается возможность увеличения энергии генерации и мощности импульсно-периодического эксимерного лазера. Протяженная камера лазера включает в себя круглую цилиндрическую трубу, выполненную из керамики. Для формирования высокоскоростного потока газа в зоне разряда по обе стороны от первого электрода, расположенного на внутренней стенке цилиндрической трубы камеры, заподлицо с ним размещены протяженные керамические направляющие газового потока. Выполнение лазерной камеры преимущественно керамической определяет возможность достижения высокого времени жизни газовой смеси эксимерного лазера, содержащей такие чрезвычайно химически активные компоненты, как F₂ или НСl.

Однако к настоящему времени не удалось реализовать изготовление цельных высококачественных труб больших размеров (например, диаметром 0,45 м в и длиной 1,4 м) из керамики Al₂O₃ высокой (>95%) чистоты с высокими физико-химическими свойствами и необходимой точностью обработки, требуемыми для камер эксимерного лазера. Реализация технологии их изготовления требует слишком больших вложений. В прототипе предусмотрены различные варианты снижения вызываемой давлением газа радиальной составляющей механической нагрузки на керамическую трубу камеры, однако возможности снижения продольной составляющей этой нагрузки не предложено.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является преодоление физических и технологических ограничений, связанных с созданием более мощных по сравнению с существующими газоразрядных, в частности эксимерных, лазеров с различным сочетанием длины волны излучения энергии генерации и частоты следования импульсов.

Техническим результатом изобретения является создание мощных газоразрядных лазеров, в частности эксимерных лазеров, характеризующихся различным сочетанием длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов, с едиными принципами построения металлокерамической лазерной камеры и высокоэффективной системой накачки лазерной среды. Обеспечение на этой основе возможности увеличения частоты следования импульсов, энергии генерации, средней мощности излучения при высоком кпд лазера и, в целом, уменьшение затрат на получение энергии генерации.

Для решения указанной задачи предлагается газоразрядный, в частности эксимерный, лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации для предыонизации газа между первым и вторым электродами; систему циркуляции газа для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами для возбуждения газовой смеси лазера, и резонатор для генерации луча лазера, при этом лазерная камера включает в себя керамическую трубу с двумя торцевыми фланцами, каждый из торцевых фланцев герметизирован с керамической трубой посредством уплотнительной кольцевой прокладки, и два торцевых фланца жестко скреплены между собой посредством протяженной вдоль керамической трубы крепежной системы.

Предпочтительно, что кольцевая прокладка, посредством которой торцевой фланец герметизирован с керамической трубой, размещена на наружной поверхности концевой части керамической трубы.

Предпочтительно, что каждый торцевой фланец имеет на внутренней стороне круговую нишу, в которой размещен торец керамической трубы, и торцевой фланец близко примыкает к керамической трубе только на ее наружной поверхности в месте установки уплотнительной кольцевой прокладки.

Предпочтительно, что наружная поверхность концевой части керамической трубы лазерной камеры имеет форму прямого круглого цилиндра.

Предпочтительно, что каждый из двух торцевых фланцев скреплен с одним из двух ответных фланцев, установленных на наружной поверхности концевых частей керамической трубы для сжатия кольцевой прокладки, посредством которой осуществляется герметизация лазерной камеры.

В вариантах реализации изобретения керамическая труба лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку из галогеностойкого эластомера.

В вариантах реализации изобретения керамическая труба лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, обеспечиваемым парой скрепленных между собой фланцев, между которыми размещена, по меньшей мере, одна кольцевая прокладка из галогеностойкого эластомера, фланцы выполнены из диэлектрического материала, и каждый диэлектрический фланец установлен на части наружной поверхности одного из керамических модулей, примыкающей к стыку и имеющей форму прямого круглого цилиндра.

Предпочтительно, что каждая пара скрепленных между собой диэлектрических фланцев имеет либо плотную, либо скользящую посадку по наружной поверхности керамических модулей, выполняя роль бандажного кольца в области стыка модулей составной керамической трубы лазерной камеры.

Вышеупомянутые объекты, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.

Фиг.1 - схематичное изображение поперечного сечения газоразрядного лазера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - схематичное изображение продольного сечения лазера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в уменьшенном, по сравнению с фиг.1, масштабе.

Фиг.3 - продольное сечение лазера с трехмодульной керамической трубой лазерной камеры в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - поперечное сечение лазера с трехмодульной керамической трубой лазерной камеры в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Варианты осуществления изобретения.

В соответствии с изобретением газоразрядный лазер, в частности эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, поперечное сечение которого схематично показано на фиг.1, содержит лазерную камеру, заполненную газовой смесью. Для эксимерных лазеров газ, заполняющий лазерную камеру при характерном давлении в диапазоне от 2,5 до 5 атм, представляет собой смесь инертных газов с галогенами, обычно F₂ или НСl. Лазерная камера включает в себя керамическую трубу 1, в которой размещены отстоящие друг от друга протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, определяющие область разряда 4 между ними. Первый электрод 2 расположен вблизи или непосредственно на внутренней поверхности керамической трубы 1 лазерной камеры. В лазерной камере также размещен, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 5 для предыонизации газа между первым и вторым электродами 2, 3. В варианте реализации лазера, показанном на фиг.1, один блок предыонизации 5, расположенный сбоку от второго электрода 3, выполнен в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрической (сапфировой) пластины 6, покрывающей инициирующий электрод 7, с поджигающим электродом 8, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 6. Для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами в керамической трубе 1 лазерной камеры также размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 9, охлаждаемые водой трубки 10 теплообменника, два керамических спойлера 11, 12 и направляющие лопасти 13 для формирования газового потока. Вне лазерной камеры расположен набор распределенных вдоль керамической трубы 1 конденсаторов 14, соединенных с первым и вторым электродами 2, 3 через токоведущие шины 15, 16, электрические вводы 17, 18 керамической трубы 1 лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные в лазерной камере по обе стороны от электродов 2, 3. К конденсаторам 14 подключен импульсный источник питания 20, предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами для возбуждения газовой смеси лазера.

Продольное сечение газоразрядного лазера схематично показано на фиг.2. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения лазерная камера включает в себя керамическую трубу 1 с двумя торцевыми фланцами 21. Каждый из торцевых фланцев 21 герметизирован с керамической трубой 1 посредством уплотнительной кольцевой прокладки 22. Кольцевая прокладка 22 размещена на наружной поверхности концевой части 23 керамической трубы 1. Два торцевых фланца 21 жестко скреплены между собой посредством протяженной крепежной системы 24.

Крепежная система 24 может быть выполнена, например, в виде металлической трубы, охватывающей керамическую трубу 1 лазерной камеры и имеющей два торцевых фланца для жесткого крепления к торцевым фланцам 21 лазерной камеры, имеющей также окно/вырез для установки набора конденсаторов 14, фиг.1, 2. В других вариантах крепежная система выполнена в виде стяжных балок 23, фиг.3, 4.

Каждый торцевой фланец 21 имеет на внутренней стороне круговую нишу 25, в которой размещен торец керамической трубы, и торцевой фланец близко примыкает к керамической трубе 1 только на ее наружной поверхности в месте установки уплотнительной кольцевой прокладки 22.

На каждом торцевом фланце 21 установлены оптические окна 26 для вывода лазерного луча 27. Для генерации луча лазера снаружи камера размещен резонатор, включающий в себя, по меньшей мере, два зеркала 28, 29.

Газоразрядный лазер работает следующим образом. Включается источник импульсного питания 20, подсоединенный к конденсаторам 14, расположенным снаружи протяженной газонаполненной лазерной камеры, включающей в себя керамическую трубу 1, на концевых частях 23 которой установлены фланцы 21, скрепленные между собой посредством протяженной крепежной системы, например, в виде стяжных балок 25. Между поджигающим электродом 8 и инициирующим электродом 7 системы формирования блока предыонизации 5 зажигается завершенный скользящий разряд по поверхности протяженной сапфировой пластины 6, фиг.1. УФ- излучение вспомогательного разряда блока предыонизации 5 осуществляет предварительную ионизацию газовой смеси в области разряда 4 между первым и вторым электродами лазера 2, 3. Одновременно осуществляется импульсная зарядка конденсаторов 14 до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд в области 4 между первым и вторым электродами 2, 3. Энергия, запасенная в конденсаторах 14, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя набор конденсаторов 14, токоведущие шины 15, 16, электрические вводы 17, 18 керамической трубы 1 лазерной камеры и обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что с помощью окон 26 и резонатора, включающего зеркала 28, 29, позволяет получить генерацию луча 27 лазера, фиг.2. Когда охлаждаемый трубками теплообменника 10 высокоскоростной поток газа, обеспечиваемый диаметральным вентилятором 9 и направляющими газового потока, к которым относятся спойлеры 11, 12 и лопасти 13, сменит газ в области разряда 4 между электродами 2, 3, цикл работы лазера повторяется. Для обеспечения газового потока в области разряда 4 обратные токопроводы 19 выполнены газопроницаемыми.

В процессе работы лазера каждый из фланцев 21 герметизирован с керамической трубой 1 посредством уплотнительной кольцевой прокладки 22.

В варианте реализации лазера с применением цельной керамической трубы 1 уплотнительные кольцевые 22 прокладки лазерной камеры могут выполняться либо из металла, либо из галогеностойкого эластомера, например витона, в соответствии с двумя принятыми для герметизации эксимерных лазеров технологиями.

Протяженная вдоль керамической трубы лазерной камеры крепежная система 24 обеспечивает крепление торцевых фланцев 21, каждый из которых нагружен многотонной (в характерном диапазоне от 4 до 8 т) силой давления газа, содержащегося в лазерной камере.

Применение крепежной системы 24 торцевых фланцев 21 снимает с керамической трубы 1 продольную составляющую механической нагрузки, обусловленную давлением газа на торцевые фланцы. Это обеспечивает более высокую надежность металлокерамической лазерной камеры, определяя существенное преимущество предложенной конструкции.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения торцевой фланец 21 имеет на внутренней стороне круговую нишу 25, в которой размещен торец керамической трубы 1, и торцевой фланец 21 близко примыкает к керамической трубе 1 только на наружной поверхности ее концевой части 23 в месте установки уплотнительной кольцевой прокладки 22. При этом путь паразитного пробоя по поверхности керамической трубы 1 с расположенного на ее внутренней поверхности высоковольтного первого электрода 2 на заземленный торцевой фланец 21 завершается на наружной поверхности керамической трубы 1 лазерной камеры. В результате обеспечивается увеличение пути паразитного пробоя и достигается высокоэффективная электрическая изоляция между электродом 2 и торцевыми фланцами 21. Это позволяет либо минимизировать длину керамической трубы лазерной камеры, что упрощает ее конструкцию, либо позволяет увеличить длину электродов и соответственно повысить энергию генерации и мощность лазера.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения каждый из двух торцевых фланцев 21 скреплен с одним из двух ответных фланцев 30, установленных на наружной поверхности концевых частей 23 керамической трубы 1 для сжатия кольцевой прокладки 22 из эластомера, посредством которой осуществляется герметизация лазерной камеры.

В результате обеспечивается простота и надежная герметизация лазерной камеры, а также с керамической трубы лазерной камеры полностью снимается продольная составляющая механической нагрузки.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения керамическая труба 1 лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей 1a, 1b, 1с. Фиг.3, 4 иллюстрируют один из реализованных вариантов выполнения лазера с составной керамической трубой лазерной камеры. Как показано на фиг.3, 4, герметичное соединение каждого стыка 32 между керамическими модулями 1a, 1b, 1с содержит, по меньшей мере, одну кольцевую прокладку 31 из галогеностойкого эластомера, в частности из витона.

Это обеспечивает дальнейшее упрощение конструкции, технологии изготовления лазерной камеры и ее удешевление.

Как иллюстрируется фиг.3, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения герметичное соединение каждого стыка 32 между керамическими модулями 1a, 1b, 1с обеспечивается парой скрепленных между собой фланцев 33, 34, между которыми размещена, по меньшей мере, одна кольцевая прокладка 31 из галогеностойкого эластомера. Фланцы 33, 34 выполнены из диэлектрического материала, в частности из стеклотекстолита. Каждый из диэлектрических фланцев 33, 34 установлен на части 35 наружной поверхности одного из керамических модулей 1a, 1b, 1с, примыкающей к стыку 32 и имеющей форму прямого круглого цилиндра с равномерным внешним диаметром. Это обеспечивает дальнейшее упрощение конструкции и технологии изготовления лазерной камеры.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения каждый из скрепленных между собой диэлектрических фланцев 33, 34 имеет либо плотную посадку, либо скользящую посадку по части 35 наружной поверхности одного из керамических модулей 1a, 1b, 1 с, примыкающей к стыку модулей и имеющей форму прямого круглого цилиндра. При этом каждая пара скрепленных между собой диэлектрических фланцев 33, 34 играет роль бандажного кольца в области стыка керамических модулей 1a, 1b, 1с составной керамической трубы 1 лазерной камеры.

В данном варианте реализации настоящего изобретения в процессе работы лазера обеспечивают герметизацию стыков между модулями 1a, 1b, 1с керамической трубы 1 лазерной камеры посредством уплотняющих прокладок 31 из галогеностойкого эластомера.

Предложенное выполнение керамической трубы лазерной камеры из двух, либо трех керамических модулей, герметизируемых с помощью кольцевых прокладок, выполненных из галогеностойкого эластомера, что является принятой для эксимерных лазеров технологией герметизации, упрощает изготовление керамической трубы лазерной камеры мощного газоразрядного лазера и удешевляет его. Выполнение наружной поверхности концевой части каждого керамического модуля в форме прямого круглого цилиндра и применение для герметизации диэлектрических, в частности стеклотекстолитовых, фланцев устраняет необходимость осевого сжатия модулей для уплотнения их стыков, что еще более упрощает конструкцию составной лазерной камеры, обеспечивает ее механическую и электрическую прочность. При такой герметизации стыков отсутствует продольная механическая нагрузка на керамические модули, несмотря на высокое давление газовой смеси в лазерной камере. Количество модулей, либо два, либо три, наиболее целесообразно. При таком количестве модулей длина каждого керамического модуля близка к его диаметру или не превосходит его по величине. Керамические модули могут быть обработаны с гораздо большей точностью, чем цельная керамическая труба большой длины. Это упрощает конструкцию элементов электроразрядной системы, размещаемых в лазерной камере, позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура.

В целом, выполнение камеры из отдельных керамических модулей позволяет увеличить размеры металлокерамической лазерной камеры до оптимально больших размеров, повысить частоту повторения лазерных импульсов, энергию генерации и среднюю мощность газоразрядного, в частности эксимерного, лазера.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

Применение для предыонизации УФ-излучения скользящего разряда (фиг.1, 3) в виде протяженного плазменного листа/листов на поверхности диэлектрика (сапфира) 6 позволяет реализовать однородный по области разряда 4 оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада во вспомогательный скользящий разряд. Это обеспечивает высокие: эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является преимуществом предыонизации данного типа.

Блок предыонизации может содержать систему формирования коронного разряда При ограничении амплитуды напряжения разряд по поверхности диэлектрика может быть коронным, фиг.1, 3. В блоке предыонизации может применяться и другая система формирования коронного разряда, аналогичная применяемой, например, в United States Patent 6757315 (не показано).

В вариантах устройства либо первый электрод 2, как показано на фиг.3, 4, либо второй электрод выполнен частично прозрачным за счет щелевых окон 36 на его рабочей поверхности, перпендикулярных продольной оси электрода, и блок предыонизации 5 установлен с обратной стороны электрода. Как вариант исполнения, блок предыонизации выполнен в виде компактной симметричной системы зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической, преимущественно сапфировой пластины 6, покрывающей инициирующий электрод 7, на поверхности которой установлен поджигающий электрод 8.

Данный вариант реализации изобретения позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при компактной малоиндуктивной разрядной системе лазера и высокой эффективности смены газа в области разряда 4.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения лазер содержит электрически связанные с блоком предыонизации и одним из электродов вспомогательные конденсаторы (на фиг.1-4 для упрощения не показаны), емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов.

Пример 1 осуществления изобретения.

Примером практического осуществления изобретения является мощный эксимерный лазер с возможностью генерации на молекулярном фторе, характеризующийся высокой, до 5,5 кГц, частотой следования импульсов. Разрядная система лазера аналогична показанной на фиг.1. Лазерная камера выполнена на основе трехмодульной керамической трубы диаметром 420 мм. Герметичное соединение стыков трех модулей керамической трубы лазерной камеры осуществлялось двумя парами скрепленных между собой стеклотекстолитовых фланцев, имеющих скользящую посадку по концевой части наружной поверхности керамических модулей и выполняющих роль бандажного кольца в области стыка модулей. Длина электродов была 0.8 м. Источник питания 20 был выполнен полностью твердотельным с использованием полупроводниковых коммутаторов типа IGBT с системой магнитной компрессии импульса накачки. Для случая генерации лазера на ArF при частоте следования импульсов f=4 кГц энергия генерации составляла более 52 мДж/импульс при малой, не более 1%, относительной нестабильности энергии генерации. Мощный высокостабильный 200 Вт - ArF лазер, выполненный в соответствии с вариантом изобретения, характеризовался также высокой для данного типа лазеров эффективностью 2%. При генерации на KrF мощность лазера была примерно в два раза выше.

Пример 2 осуществления изобретения.

Другим примером практического осуществления изобретения является мощный широкоапертурный эксимерный лазер ХеСl лазер. В лазере с лазерной камерой на основе трехмодульной керамической трубы использовались электродная система, аналогичная показанной на фиг.4. ХеСl лазер был протестирован на одной заправке газовой смеси в течение 60 млн импульсов со стабилизированным уровнем средней мощности излучения 450 Вт при f=300 Гц. В процессе длительной непрерывной работы лазера в течение 53 часов снижение эффективности лазера из-за выгорания галогена и загрязнения быстросменных окон лазера автоматически компенсировалось небольшим (не более чем на 12% по величине) повышением зарядного напряжения источника питания и инжекцией галогена. Относительная нестабильность энергии генерации σ в течение всего теста была на низком уровне: от 0,7 до 1%, что свидетельствует о высокой стабильности энергии генерации лазера.

Приведенные примеры и другие экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что предложенная в соответствии с настоящим изобретением конструкция лазеров с использованием лазерной камеры на основе керамической трубы позволяет реализовать серию мощных высокоэффективных высокостабильных эксимерных лазеров с различными сочетаниями длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов при большом времени жизни газовой смеси. В варианте реализации изобретения с модульной конструкцией керамической трубы упрощается технология изготовления лазерной камеры, что удешевляет лазер в целом и позволяет уменьшить расходы на получение энергии генерации.

1) керамическая труба, 1a, 1b, 1с - модули керамической трубы

2) первый электрод

3) второй электрод

4) область разряда

5) блок предыонизации

6) диэлектрической (сапфировой) пластины

7) инициирующий электрод

8) поджигающий электрод

9) диаметральный вентилятор

10) трубки теплообменника

11) спойлер

12) спойлер

13) направляющие лопасти

14) конденсаторы

15) токоведущие шины

16) токоведущие шины

17) электрические вводы

18) электрические вводы

19) обратные токопроводы

20) импульсный источник питания

21) торцевой фланец

22) уплотнительная прокладка

23) наружная поверхность концевой части керамической трубы

24) стяжные балки

25) круговая ниша

26) оптические окна

27) лазерный луч

28) зеркало резонатора

29) зеркало резонатора

30) ответный фланец

31) уплотнительная кольцевая прокладка из эластомера

32) стык между керамическими модулями

33) диэлектрический фланец

34) диэлектрический фланец

35) диэлектрический фланец

36) щелевые окна на рабочей поверхности электрода

Изобретение относится к лазерной технике. Газоразрядный лазер включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, блок предыонизации, систему циркуляции газа, набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов, источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, и резонатор для генерации луча лазера. Лазерная камера включает в себя керамическую трубу с двумя торцевыми фланцами, жестко скрепленными между собой посредством протяженной вдоль керамической трубы крепежной системы. Каждый из торцевых фланцев герметизирован с керамической трубой посредством кольцевой прокладки, размещенной на наружной поверхности концевой части керамической трубы. Каждый торцевой фланец имеет на внутренней стороне круговую нишу, в которой размещен торец керамической трубы, и торцевой фланец близко примыкает к керамической трубе только на ее наружной поверхности в месте установки уплотнительной кольцевой прокладки. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности лазеров и в упрощении их конструкции. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газоразрядный, в частности эксимерный, лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам, и резонатор, при этом лазерная камера включает в себя керамическую трубу с двумя торцевыми фланцами, скрепленными между собой посредством протяженной вдоль керамической трубы крепежной системы, каждый из торцевых фланцев герметизирован с керамической трубой посредством уплотнительной кольцевой прокладки, размещенной на наружной поверхности концевой части керамической трубы, имеющей форму прямого круглого цилиндра, причем каждый торцевой фланец имеет на внутренней стороне круговую нишу, в которой размещен торец керамической трубы, и торцевой фланец близко примыкает к керамической трубе только на ее наружной поверхности в месте установки уплотнительной кольцевой прокладки, кроме этого каждый из двух торцевых фланцев скреплен с одним из двух ответных фланцев, установленных на наружной поверхности концевых частей керамической трубы для сжатия уплотнительной кольцевой прокладки.

2. Лазер по п.1, в котором керамическая труба лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку из галогеностойкого эластомера.

3. Лазер по п.1, в котором керамическая труба лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, обеспечиваемым парой скрепленных между собой фланцев, между которыми размещена, по меньшей мере, одна кольцевая прокладка из галогеностойкого эластомера, фланцы выполнены из диэлектрического материала, и каждый диэлектрический фланец установлен на части наружной поверхности одного из керамических модулей, примыкающей к стыку и имеющей форму прямого круглого цилиндра.

4. Лазер по п.1, в котором каждая пара скрепленных между собой диэлектрических фланцев имеет либо плотную, либо скользящую посадку по наружной поверхности керамических модулей, выполняя роль бандажного кольца в области стыка модулей составной керамической трубы лазерной камеры.

5. Лазер по п.1, в котором блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

6. Лазер по п.1, в котором блок предыонизации содержит систему формирования коронного разряда.

7. Лазер по п.1, в котором либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

8. Лазер по п.1, в котором первый электрод и второй электрод выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку одного из двух указанных электродов.

9. Лазер по п.1, содержащий электрически связанные с блоком предыонизации и одним из электродов вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов.