ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров, лазерных систем и способу генерации лазерного излучения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ 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), XeBr (282 нм), XeCl (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 XeCl лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 30D-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. Для литографии применяются узкополосные ArF лазеры с относительно небольшой энергией генерации 5-10 мДж/импульс и высокой (4-6 кГц) частотой повторения импульсов, устройство и, технология которых описаны, в частности, в заявке US20030118072. Таким образом, мощные экисмерные лазеры находят применения при различных сочетаниях длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов.
В мощных эксимерных лазерах возбуждение активной среды осуществляется импульсно-периодическим объемным разрядом высокого (2,5-5 атм) давления в смесях инертных газов (Ne, Не, Хе, Кr, Аr) с галогеносодержащими молекулами F2, HCl при условиях ввода энергии в разряд, обеспечивающих высокую эффективность генерации лазерного излучения. Такой разряд принципиально неустойчив, и время сохранения
объемным разрядом однородной формы обычно не превышает нескольких десятков наносекунд. При этом достижение высоких выходных характеристик определяется рядом
факторов, находящихся в довольно сложной взаимосвязи. К основным факторам относятся условия предварительной ионизации активного объема, режим зажигания и ввода энергии в разряд, геометрия электродной системы и характеристики газового потока в ней. Обеспечение большого времени жизни газовой смеси высокого давления, содержащей химически чрезвычайно активные компоненты F2 или HCl, предъявляет жесткие требования к конструкционным материалам лазера.
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 из патента US6782030 импульсно-периодический газоразрядный лазер, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены в лазерной камере 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 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 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.
Недостатком данных устройства и способа является сложность эксплуатации лазера и его большие габариты, так как наличие рентгеновского блока предыонизации обуславливает 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.
Из Coherent Inc. Excimer / UV Optical Systems Product Catalog 2012 известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двулучевой лазер VYPER, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактных лазера, аналогичных описанным в патенте US6757315. Каждый из лазеров 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.
Частично этих недостатков лишен газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, известный из патента RU2446530, являющийся наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа. Лазер включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую преимущественно из металла, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны металлической стенки лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, набор конденсаторов, размещенных в каждом из керамических контейнеров, причем конденсаторы подключены к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны первого и второго электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам; систему циркуляции газа и резонатор.
Здесь и далее «токовводы» означают то же самое, что «электрические вводы».
В указанном устройстве керамические контейнеры, выполненные в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны электродов. Поверхности контейнеров, обращенные к области разряда и расположенные заподлицо с первым электродом, служат в качестве направляющих газового потока. Способ генерации лазерного излучения включает в себя осуществление импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в керамических контейнерах, с помощью источника питания, предыонизацию газа между первым и вторым электродами, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию лазерного излучения. Предыонизацию осуществляют УФ излучением завершенного скользящего разряда, что позволяет эффективно увеличивать апертуру разряда.
Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией лазерной камеры, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами и возможность достижения высокой средней мощности лазерного излучения.
В устройстве ограничена скорость зарядки импульсных конденсаторов, осуществляемая через торцы керамических контейнеров, приводя к уменьшению КПД лазера. Для зажигания вспомогательного разряда блока предыонизации в металлической лазерной камере необходимо наличие изолированных токовводов, что усложняет конструкции лазерной камеры. Также в лазере ограничена возможность повышения энергии генерации из-за ограниченных габаритов контейнеров и, соответственно, ограниченного энергозапаса размещенных в них конденсаторов. Кроме того, требуемое для повышения энергии генерации увеличение межэлектродного расстояния ведет к повышению разрядного напряжения, что усложняет эксплуатацию лазера и сопровождается необходимостью увеличения габаритов керамических частей лазера, служащих в качестве высоковольтных изоляторов, и лазерной камеры в целом, что усложняет ее конструкцию. Геометрия керамических контейнеров в виде круглых цилиндров может не полностью удовлетворять условиям минимизации индуктивности разрядного контура, что может снижать КПД лазера при увеличении энергии генерации.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание наиболее мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров и лазерных систем.
Техническим результатом изобретения является улучшение конструкции металлокерамического лазера, увеличение энергии генерации, средней мощности излучения при высоком КПД лазера или лазерной системы и уменьшение затрат на получение энергии генерации.
Для решения указанных задач предлагается газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую преимущественно из металла, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны металлической стенки лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; расположенные вблизи первого электрода либо два протяженных керамических контейнера,
либо один протяженный керамический контейнер,
набор конденсаторов, размещенных в каждом из керамических контейнеров, причем конденсаторы подключены к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны первого и второго электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам; систему циркуляции газа и резонатор, при этом
со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых снабжен керамическим изолятором, внутри лазерной камеры по обе стороны либо керамических контейнеров, либо керамического контейнера размещены протяженные заземленные токопроводы, соединенные с металлической стенкой лазерной камеры, и источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через упомянутые высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы, а также через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера.
Предпочтительно, что концевые части каждого керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера.
Предпочтительно, что, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере размещены вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, вдоль длины контейнера установлены вспомогательные герметичные токовводы, через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов подсоединена к блоку предыонизации.
В вариантах изобретения части поверхности каждого керамического контейнера, обращенные к области разряда, расположены заподлицо с первым электродом, образуя вблизи первого электрода расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, часть каждого протяженного керамического контейнера размещена сбоку от области разряда, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда.
В некоторых вариантах реализации изобретения вблизи первого электрода установлен один протяженный керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой размещен первый электрод.
В другом аспекте изобретение относится к лазеру, в лазерной камере которого размещены либо один, либо два дополнительных протяженных керамических контейнера, каждый дополнительный керамический контейнер расположен вблизи второго электрода, в каждом дополнительном керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы, в стенках каждого дополнительного керамического контейнера вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы и заземленные токовводы, при этом конденсаторы подключены ко второму электроду через газопроницаемые обратные токопроводы, высоковольтные токовводы и заземленные токовводы каждого дополнительного контейнера и дополнительные конденсаторы, снаружи лазерной камеры размещен подключенный к дополнительным конденсаторам дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания.
Предпочтительно, что концевые части каждого дополнительного керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части дополнительного контейнера.
Предпочтительно, что дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам с торцов каждого дополнительного керамического контейнера.
Предпочтительно, что временная задержка между включениями дополнительного источника питания и источника питания равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов и времени зарядки конденсаторов.
Предпочтительно, что части поверхности каждого дополнительного керамического контейнера, обращенные к области разряда, образуют вблизи второго электрода расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.
В вариантах изобретения заземленные газопроницаемые токопроводы выполнены вогнутыми в сторону области разряда.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, один блок предыонизации размещен в непосредственной близости от второго электрода, и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере, вдоль его длины, установлены вспомогательные герметичные токовводы и размещены вспомогательные конденсаторы, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации через вспомогательные токовводы.
В вариантах изобретения вблизи второго электрода может быть установлен один дополнительный керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод.
В некоторых вариантах изобретения лазерная камера может быть снабжена дополнительной системой циркуляции газа.
В вариантах изобретения первый электрод и второй электрод выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку либо первого электрода, либо второго электрода.
В вариантах изобретения либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.
В предпочтительных вариантах изобретения блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.
В некоторых вариантах изобретения блок предыонизации содержит систему формирования коронного разряда.
В предпочтительных вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере, и к торцам каждого контейнера, заполненного электрически прочной средой, герметично подсоединена система поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в лазерной камере, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, заключающемуся в осуществлении импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в каждом керамическом контейнере, с помощью источника питания и предыонизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при котором
предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, включают источник питания и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов, после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов и дополнительных конденсаторов осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы и дополнительные конденсаторы, последовательно соединенные между собой через газопроницаемые токопроводы, вогнутые в сторону области разряда.
В некоторых вариантах изобретения с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, осуществляют предыонизацию со стороны первого электрода.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, включающему предыонизацию газовой смеси между первым и вторым электродами, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию луча лазера, при котором
в процессе работы лазера поддерживают давление электрически прочной среды, заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере.
Изобретение в другом аспекте относится к лазерной системе, содержащей шасси, на котором размещены первый лазер, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, второй лазер, идентичный первому, при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания лазерной системы.
В вариантах изобретения в лазерной системе между конденсаторами второго лазера и общим источником питания введена линия задержки, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере, и на шасси размещена система оптической связи между двумя лазерами, обеспечивающая инжекцию во второй лазер внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера.
В некоторых вариантах изобретения лазерная система содержит шасси, на котором размещены первый лазер, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, второй лазер, идентичный первому, при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания, и дополнительные источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем дополнительном источнике питания.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения посредством лазерной системы, заключающемуся в осуществлении в каждом лазере предыонизации газа, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при котором
после зажигания разряда в первом лазере зажигают разряд во втором лазере с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере, и с помощью системы оптической связи производят инжекцию во второй лазер внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера, снижая порог генерации во втором лазере.
Вышеупомянутые и другие объекты, аспекты, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.
Описание дается в виде, достаточном для понимания принципов изобретения специалистами в области лазерной техники. Детальное описание компонент газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров можно найти в Patent US20030118072;
Patent US 6757315; Exdmer Laser Technology, Ed. by D.Basting, G.Marowsky. Springer-Verglas Berlin Heidelberg (2005).
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.
Фиг.1 - схематичное изображение поперечного сечения газоразрядного лазера с высокой частотой следования импульсов.
Фиг.2 - часть продольного сечения того же варианта лазера по оси одного из двух керамических контейнеров.
Фиг.3 - поперечное сечение широкоапертурного лазера с предыонизацией излучения скользящего разряда.
Фиг.4 - поперечное сечение лазера с керамическими контейнерами, значительно изменяющими направление газового потока при прохождении области разряда.
Фиг.5 - поперечное сечение лазера с предыонизацией излучения коронного разряда.
Фиг.6 - поперечное сечение лазера с одним керамическим контейнером, установленным вблизи первого электрода.
Фиг.7 - поперечное сечение лазера с дополнительными контейнерами и дополнительным источником питания.
Фиг.8 - поперечное сечение лазера с дополнительной системой циркуляции газа.
Фиг.9 - поперечное сечение лазерной системы.
Фиг.10 - поперечное сечение лазерной системы с дополнительным источником питания.
Фиг.11 - блок схема системы оптической связи лазерной системы.
На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Газоразрядный лазер, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, поперечное сечение которого в одном из вариантов реализации изобретения показано на Фиг.1, включает в себя: лазерную камеру 1, состоящую преимущественно из металла и заполненную газовой смесью. Лазер также содержит протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, расположенные друг против друга и определяющие область разряда 4 между ними, с первым электродом 2, расположенным со стороны металлической стенки 5 лазерной камеры 1; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 6.
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг.1, первый электрод 2 и второй электрод 3 выполнены сплошными. Один блок предыонизации 6, расположенный сбоку от второго электрода 3, содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика, в частности по поверхности сапфировой пластины 7, покрывающей инициирующий (как мы его называем) электрод 8, с поджигающим (как мы его называем) электродом 9, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 7. При этом инициирующий электрод 8 блока предыонизации 6 совмещен со вторым электродом 3 лазера.
Вблизи первого электрода 2 расположены либо один, либо, как показано на Фиг.1, два протяженных керамических контейнера 10, в которых размещен набор конденсаторов 11. Конденсаторы 11 подключены к первому и второму электродам 2, 3 через высоковольтные токовводы 12 и заземленные токовводы 13 каждого керамического контейнера 10 и через газопроницаемые обратные токопроводы 14, расположенные по обе стороны первого и второго электродов 2, 3. К конденсаторам 11 подключен источник питания 15, предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера.
Для обновления газа в области разряда 4 между очередными разрядными импульсами в лазерной камере 1 размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, спойлеры 18, 19 и направляющие лопасти или лопасть 20 для формирования высокоскоростного потока газа между первым и вторым электродами 2, 3.
В соответствии с изобретением со стороны первого электрода 2 в металлической стенке 5 лазерной камеры 1 вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы 21, каждый из которых снабжен керамическим изолятором 22. Внутри лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 10 размещены протяженные заземленные токопроводы 23, соединенные с металлической стенкой 5 лазерной камеры 1. При этом источник питания 15 малоиндуктивно подключен к конденсаторам 11 через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23, а также через высоковольтные и заземленные токовводы 12, 13 каждого керамического контейнера 10.
Для генерации луча лазера (не показан) снаружи лазерной камеры 1 размещен резонатор (для упрощения не показан).
Предложенная конструкция лазера отличается простотой и надежностью. Малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам через высоковольтные токовводы 21, снабженные керамическими изоляторами 22, и заземленные токопроводы 23, а также через токовводы 12, 13 каждого керамического контейнера 10, уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 11. Для обеспечения малой индуктивности контура зарядки конденсаторов 14 количество изолированных токовводов 21 в лазерной камере должно быть около 6 штук в расчете на 1 м длины электродов. По сравнению с известным из патента RU2446530 устройством увеличивается скорость нарастания электрического поля и величина напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.
Высокий КПД лазера также обеспечивается за счет высокого уровня предыонизации, обеспечиваемого УФ излучением однородного скользящего разряда, и малой индуктивности разрядного контура - за счет размещения конденсаторов 11, с помощью которых осуществляется энерговклад в основной объемный разряд лазера, в непосредственной близости от разрядного объема 4.
На Фиг.1 каждый керамический контейнер 16 имеет форму прямоугольной трубы, что обеспечивает компактность керамических контейнеров 10 с высокой степенью их заполнения керамическими конденсаторами 11, используемыми для мощных газоразрядных лазеров. В результате достигается малая индуктивность разрядного контура и повышение КПД лазера.
На Фиг.1 части 24, 25 поверхности каждого керамического контейнера 10, обращенные к области разряда 4, расположены заподлицо с первым электродом 2, образуя вблизи первого электрода 2 расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока. Это позволяет формировать высокоскоростной поток газа в разрядной области 4.
Для автоматической предыонизации, упрощающей эксплуатацию лазера, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 10 размещены вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 11. Вдоль длины каждого контейнера 16, содержащего вспомогательные конденсаторы 26, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27. Одна из обкладок вспомогательных конденсаторов 26 подсоединена к блоку предыонизации 6 через вспомогательные токовводы 27 керамического контейнера 10 и протяженный вспомогательный газопроницаемый обратный токопровод 28 (Фиг.1).
На Фиг.2 показана часть сечения устройства, проходящего вдоль одного из керамических контейнеров 10, для того же варианта лазера, что и на Фиг.1. В соответствии с изобретением концевые части 29 каждого керамического контейнера 10 герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10. В одном из вариантов концевые части 29 каждого керамического контейнера 10 герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1 при помощи соединительного устройства 31 (Фиг.2). На каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 1 установлены оптические окна 32 для выхода луча (не показан) лазера.
Герметизация керамических контейнеров 16 на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10 позволяет прокачивать электрически прочную среду, например воздух, через конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, осуществлять их охлаждение, устранять образующийся в контейнерах 16 озон или предотвращать возможность его образования. Все это обеспечивает высокоэффективную работу лазера в долговременном режиме. Использование соединительного устройства 31 обеспечивает возможность надежного герметичного крепления концевых частей 29 керамических контейнеров 10 различной формы в непосредственной близости к оптическим окнам 32 лазера.
В других вариантах концевые части 29 контейнеров выведены через торцы 30 лазерной камеры 1 и герметично закреплены в отверстиях, выполненных в торцах 30 лазерной камеры 1.
Газоразрядный лазер работает следующим образом. Производится включение импульсного источника 15, расположенного снаружи лазерной камеры 1, состоящей преимущественно из металла. Осуществляется импульсная зарядка конденсаторов 11, размещенных в варианте изобретения в двух керамических контейнерах 10 и подключенных к протяженным первому и второму электродам 2, 3, расположенным друг против друга и определяющим область разряда 4 между ними, с первым электродом 2, расположенным со стороны металлической стенки 5 лазерной камеры 1. В варианте изобретения керамические контейнеры 10 выполнены в виде прямоугольных труб (Фиг.1). Зарядка конденсаторов 11 осуществляется по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя герметичные высоковольтные токовводы 21, установленные со стороны первого электрода 2 в металлической стенке 5 лазерной камеры 1 вдоль нее и изолированные от металлической стенки 5 керамическими изоляторами 22. Малоиндуктивный контур зарядки конденсаторов 11 также включает герметичные токовводы 12, 13 керамических контейнеров 10 и размещенные внутри лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 10 протяженные заземленные токопроводы 23, соединенные с металлической стенкой 5 лазерной камеры 1. Одновременно осуществляется зарядка вспомогательных конденсаторов 26, размещенных, по меньшей мере, в одном из керамических контейнеров 10. Зарядка вспомогательных конденсаторов 26 осуществляется по электрической цепи, включающей в себя вспомогательные токковводы 27 контейнера 10, протяженный газопроницаемый вспомогательный токопровод 28, разрядный промежуток между поджигающим и инициирующим электродами 9, 8 блока предыонизации 6, газопроницаемые обратные токопроводы 14.
При этом оптимизированная величина емкости вспомогательных конденсаторов 26 во много раз меньше емкости конденсаторов 11, что определяет относительно малый энерговклад во вспомогательный разряд блока предыонизации 5. УФ излучение вспомогательного завершенного скользящего разряда по поверхности протяженной сапфировой пластины 7 осуществляет предыионизацию газа в области разряда 4. При достижении напряжения пробоя на электродах 2, 3, между ними зажигается объемный газовый разряд. Энергия, запасенная в конденсаторах 11, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя высоковольтные и заземленные токовводы 12, 13 керамических контейнеров 10 и газопроницаемые обратные токопроводы 14, расположенные по обе стороны первого и второго электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что позволяет получить генерацию луча лазера. Излучение лазера выводится через одно из двух оптических окон 32, установленных на каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 1 (Фиг.2). Когда с помощью системы циркуляции газа, содержащей диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, направляющие газового потока, к которым относятся спойлеры 18, 19, направляющие лопасти или лопасть 20, и части поверхности 24, 25 керамических контейнеров 10, предпочтительно расположенные заподлицо с первым электродом 2, сменит газ в области разряда 4, цикл работы лазера повторяется.
В процессе работы через контейнеры 10, концевые части 29 которых герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1, например, посредством соединительного устройства 31 (Фиг.2), осуществляют проток электрически прочной среды, в частности воздуха. За счет этого охлаждают конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, а также устраняют озон или возможность его образования в контейнерах 10.
В предложенной конструкции лазера достигается малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам 11 за счет введения герметичных высоковольтных токовводов 21, снабженных керамическими изоляторами 22, и протяженных заземленных токопроводов 23. Это значительно уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 11, увеличивает скорость нарастания электрического поля и повышает величину напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.
Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 10 вспомогательных конденсаторов 26, подключенных к блоку предыонизации 6, позволяет осуществлять высокоэффективную автоматическую УФ предыонизацию. При этом упрощается схема импульсного источника питания 15 и устраняется необходимость специальных изолированных токовводов в лазерной камере 1 для питания блока предыонизации 6. Все это упрощает конструкцию и эксплуатацию лазера.
Выполнение токовводов 21 лазерной камеры и токовводов 12, 13, 27 керамических контейнеров 10 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы.
Использование в высоковольтных токовводах 21 изоляторов 22, выполненных керамическими, обеспечивает большое время газовой смеси лазера.
Форма контейнеров 10 в виде прямоугольных труб (Фиг.1, 2, 4, 5, 9) позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 24, 25 контейнеров 10, расположенные заподлицо с первым электродом, образуя вблизи него расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока, позволяют эффективно формировать высокоскоростной поток газа в области разряда 4, что позволяет реализовать высокоэффективный режим работы лазера с высокой средней мощностью излучения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения блок предыонизации 5 содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика. Применение для предыонизации УФ излучения скользящего разряда (Фиг.1, 3, 4, 6-10) в виде протяженного плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) 7 позволяет реализовать в области разряда 4 однородный и оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада в скользящий разряд. Это обеспечивает высокие: эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является преимуществом предыонизации данного типа.
При ограничении амплитуды напряжения разряд по поверхности диэлектрика может быть коронным. В соответствии с этим блок предыонизации 6 может содержать систему формирования коронного разряда.
Герметизация предложенным образом контейнеров 10 на торцах 30 лазерной камеры 1 позволяет осуществлять в процессе работы лазера проток электрически прочной среды, например воздух через конденсаторы 11, 26, охлаждать их и устранять образующийся в контейнерах 10 озон или предотвращать возможность его образования. Все это обеспечивает высокоэффективную работу лазера предложенной конструкции в долговременном режиме. Использование соединительного устройства 31 обеспечивает многовариантность и универсальность конструкции крепления контейнеров различной формы и их размещение вблизи оптических окон 32 лазера. При этом достигается компактность конструкции лазера и малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокого КПД лазера. В других вариантах концевые части 29 контейнеров могут быть выведены через торцы 30 лазерной камеры 1 и герметично закреплены на них.
Для герметизации лазерной камеры и ее элементов могут использоваться уплотнительные прокладки либо из металла, либо из галогеностойкого эластомера в соответствии с двумя принятыми для герметизации эксимерных лазеров технологиями герметизации, обеспечивающими большое время жизни газовой смеси.
В варианте лазера либо первый электрод (Фиг.3, 8-10), либо второй электрод (Фиг.7) выполнен частично прозрачным за счет наличия на его рабочей поверхности щелевых окон 33. При этом блок предыонизации 6 установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода. Как вариант исполнения, блок предыонизации 6 выполнен в виде компактной симметричной системы зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической, преимущественно сапфировой пластины 7, покрывающей инициирующий электрод 8, на поверхности которой установлен поджигающий электрод 9.
В этих вариантах изобретения при работе лазера предыонизация области разряда 4 осуществляется УФ излучением блока предыонизации 6 через частично прозрачный электрод с щелевыми окнами прозрачности 33 (Фиг.3), в остальном работа лазера не отличается от описанной ранее.
Применение частично прозрачного электрода позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при компактной малоиндуктивной разрядной системе лазера и высокой эффективности смены газа в области разряда 4, то есть с малым, ~1, коэффициентом смены газа К, достаточным для эффективной высокостабильной работы мощного лазера. В результате достигается увеличение энергии генерации и мощности лазерного излучения при высоком КПД лазера.
В вариантах лазера контейнеры имеют форму круглых труб (Фиг.3, 7, 8, 10), что обеспечивает простоту их конструкции, наибольшую механическую прочность и, соответственно, надежность керамических контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением газовой смеси лазера.
Пример 1 осуществления изобретения. Примером практического осуществления изобретения является мощный эксимерный лазер с возможностью генерации на молекулярном фторе, характеризующийся высокой, до 5 кГц, частотой следования импульсов. Устройство лазера аналогично показанному на Фиг.1, 2. Диаметр металлическоой лазерной камеры составлял 370 мм. Керамические контейнеры в форме квадратных труб были герметично закреплены на торцах камеры посредством соединительного устройства. Через торцы керамических контейнеров 10 посредством вентилятора осуществлялся продув конденсаторов и вспомогательных конденсаторов воздухом. При объеме разряда 1.3×18×580 мм3 мощность лазера при генерации на ArF достигала 160 Вт при частоте повторения импульсов f=5000 Гц с КПД «от розетки» 1,6%. При увеличении длины разряда до ~1 м ожидаемая мощность ArF лазера составит более 250 Вт. 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 XeCl лазер. Устройство лазера аналогично показанному на Фиг.3. Диаметр металлической лазерной камеры составлял 580 мм, керамические контейнеры были выполнены в виде круглых цилиндрических труб, выведенных через торцы лазерной камеры и герметично закрепленных на них. При объеме разряда 23×50×690 мм3 мощность лазера достигала 420 Вт при f=350 Гц с КПД «от розетки» 2%. При увеличении длины разряда до ~1 м ожидаемая мощность XeCl лазера составит около 600 Вт.
Приведенные примеры и другие экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что предложенная в соответствии с настоящим изобретением конструкция лазеров с использованием металлической лазерной камеры и керамических контейнеров с размещенными в них конденсаторами, расположенными в непосредственной близости от области разряда, позволяет реализовать серию мощных высокоэффективных высокостабильных эксимерных лазеров с различными сочетаниями длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов. При этом предложенная конструкция лазеров отличается достаточной простотой и технологичностью, а также малой стоимостью, обеспечивает большое время жизни газовой смеси, однородный высокоскоростной поток газа между электродами, малую индуктивность разрядного контура, возможность увеличения апертуры лазера, энергии генерации и мощности при высокой эффективности.
Следующие варианты реализации изобретения позволяют ему приобрести новые положительные качества.
Увеличение апертуры разряда и повышение энергии генерации может достигаться и без использования достаточно сложных в изготовлении частично прозрачных электродов. В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг.4, первый электрод 2 и второй электрод 3 выполнены сплошными, а два блока предыонизации расположены по бокам первого электрода 2. Каждый из двух идентичных блоков предыонизации 6 выполнен в виде системы формирования скользящего разряда, аналогичной изображенной на Фиг.1 и описанной выше. Такой тип разрядной системы (Фиг.4 и Фиг.6) позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при использовании сплошных электродов 2, 3 простой конструкции.
В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг.4, 5, с целью уменьшения индуктивности разрядного контура возможно еще большее приближение конденсаторов 11 к области разряда 4. В этих вариантах, по меньшей мере, части 24, 25 протяженных керамических контейнеров 10 размещены сбоку от области разряда 4, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4.
В такой разрядной конфигурации, аналогичной реализуемой в лазере, известном из US Patent 6757315, а также в лазерной системе VYPER, направление газового потока достаточно резко меняет направление, проходя через область разряда 4. Такая геометрия газового потока может быть эффективна, поскольку она легко устраняет нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода после прохождения потоком области разряда 4. Настоящее изобретение позволяет в более широких пределах оптимизировать геометрию газового потока, по сравнению с указанным аналогом. Кроме этого, за счет размещения керамических контейнеров 10 по бокам области разряда 4, расположенные в них конденсаторы 11 могут быть максимально приближены к области разряда 4. При этом в предложенном изобретении стенка контейнера может быть тоньше, чем стенка разрядной камеры лазеров, известных из US Patent 6757315 и применяемых в мощной лазерной системе VYPER. Соответственно, индуктивность разрядного контура может быть уменьшена, что обеспечивает увеличение КПД лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации.
На Фиг.5 блок предыонизации 6 включает в себя расположенные по бокам первого электрода 2 две идентичные системы формирования протяженного коронного разряда, каждая из которых выполнена в виде диэлектрической трубки 34 из керамики Al2O3 или сапфира, внутренняя поверхность которой совмещена с поверхностью размещенного в диэлектрической трубке 34 внутреннего электрода 35, который с торца трубки электрически связан с противоположным вторым электродом 3 лазера (соединение для упрощения не показано).
В варианте лазера, показанном на Фиг.5, при подаче напряжения на первый электрод 2 автоматически осуществляется коронный разряд между электродом 2 и внутренним электродом 35 каждого блока предыонизации 6 через диэлектрический барьер трубки 34. УФ излучение коронных разрядов по бокам электрода 2 лазера осуществляет предыонизацию области разряда 4. В остальном работа лазера осуществляется аналогично тому, как описано выше.
Использование для предыонизации двух идентичных компактных систем формирования протяженного коронного разряда (Фиг.5) позволяет упростить разрядную систему лазера и уменьшить индуктивность разрядного контура.
В целом, размещение, по меньшей мере, части, по меньшей мере, одного протяженного керамического контейнера сбоку от области разряда, как это иллюстрируется Фиг.4, 5, позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура, что увеличивает эффективность лазера.
На Фиг.6 представлен вариант реализации изобретения, в котором вблизи первого электрода 2 установлен один протяженный керамический контейнер 10, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу 36, в которой размещен первый электрод 2. Наряду с электродом 2 в нише 36 размещены два идентичных блока предыонизации 6. Первый электрод 2 предпочтительно расположен заподлицо с частями 24, 25 керамического контейнера 10, обращенными к области разряда и образующими направляющие газового потока вниз и вверх по потоку от первого электрода 2. Данный вариант изобретения позволяет оптимизировать форму керамического контейнера 10 для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда, обеспечения малой индуктивности разрядного контура, увеличения количества и энергозапаса размещаемых в нем конденсаторов 11.
Оптимизированная с точки зрения повышения мощности лазера форма контейнера 10 (Фиг.6) отличается от использующейся в прототипе формы круглого цилиндра. Это обусловливает повышенные механические напряжения в контейнере 10, вызываемые давлением газовой смеси в лазерной камере. Для снижения механических нагрузок в процессе работы такой контейнер 10 в соответствии с вариантами реализации изобретения заполнен либо газообразной (например, азот), либо жидкой (например, Galden Fluid) электрически прочной средой 37 под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере 1. При этом к торцам контейнера 10 герметично подсоединена система 38 поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в лазерной камере 1, выполненная с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 37, что, при необходимости, позволяет поддерживать оптимальные условия работы конденсаторов 11, 26 в режиме с высокой частотой повторения импульсов.
В данном варианте изобретения в процессе работы лазера с помощью системы 38 поддерживают давление электрически прочной среды 37, заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер 10 с размещенными в нем конденсаторами 11, близким к давлению газа в лазерной камере 1.
Все это позволяет повысить энергию генерации и среднюю мощность лазера при высоком КПД.
Другие варианты реализации изобретения нацелены на дальнейшее увеличение апертуры разряда, энергии генерации и мощности лазера. В этих вариантах, иллюстрируемых Фиг.7, а также Фиг.8, Фиг.10, вблизи второго электрода 3 установлены либо два протяженных дополнительных керамических контейнера 39 (Фиг.7, Фиг.10), либо один протяженный дополнительный керамический контейнер 39 (Фиг.8). Каждый дополнительный керамический контейнер 39 расположен преимущественно с нерабочей стороны второго электрода 3. В каждом дополнительном контейнере 39 размещены дополнительные конденсаторы 40. В стенках каждого дополнительного контейнера 39 вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы 41 и заземленные токовводы 42. Конденсаторы 11 подключены ко второму электроду 3 через заземленные газопроницаемые токопроводы 14, вогнутые в сторону области разряда 4, через токовводы 41, 42 каждого дополнительного контейнера 39 и дополнительные конденсаторы 40. Снаружи лазерной камеры 1 размещен дополнительный источник питания 47, полярность которого противоположна полярности источника питания 15. Дополнительный источник питания 47 предпочтительно подключен к дополнительным конденсаторам 39 с торцов каждого дополнительного контейнера 39. Концевые части каждого дополнительного керамического контейнера 39 герметично закреплены на торцах металлической лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части дополнительного контейнера (не показано). При этом части поверхности 44, 45 каждого дополнительного контейнера 39, обращенные к разрядной области 4, образуют вблизи второго электрода 3 расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока. В вариантах изобретения, по меньшей мере, один дополнительный контейнер 39 выполнен в форме либо круглой (Фиг.7), либо прямоугольной (Фиг.8) трубы.
В вариантах изобретения, как показано на Фиг.7, по меньшей мере, один блок предыонизации 6 размещен в непосредственной близости от второго электрода 3, и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере 39, вдоль его длины, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27 и размещены вспомогательные конденсаторы 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации 6 через вспомогательные токовводы 27.
Способ генерации лазерного излучения в этих вариантах изобретения (Фиг.7, 8) осуществляют следующим образом. Включают дополнительный источник питания 43 и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера 39 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 40 сравнительно медленно, поскольку индуктивность электрического контура их зарядки относительно велика. В варианте реализации изобретения (Фиг.7) с момента включения дополнительного источника питания 43 производят автоматическую предыонизацию за счет зарядки вспомогательных конденсаторов 26 через вспомогательный разрядный промежуток или промежутки блока предыонизации 6. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 40 и конденсаторов 11, включают источник питания 15 и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 11 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 40. К моменту одновременного окончания зарядки конденсаторов 11 и дополнительных конденсаторов 40 осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами 2, 3 противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 11 и дополнительные конденсаторы 40, последовательно соединенные между собой через заземленные газопроницаемые токопроводы 14, вогнутые в сторону области разряда, и токовводы 12, 13 и 41, 42 контейнеров 10 и дополнительных контейнеров 39. В результате получают генерацию лазерного излучения. После того как система циркуляции газа сменит газ между электродами 2, 3, цикл работы лазера повторяют.
Введение дополнительных керамических контейнеров 39 с размещенными в них дополнительными конденсаторами 40 позволяет значительно, примерно вдвое по сравнению с вариантами реализации устройства, представленного на Фиг.1-5, увеличить суммарную энергию, запасаемую в конденсаторах, подключенных к первому и второму электродам лазера 2, 3. Это значительно, примерно вдвое, позволяет увеличить энергию генерации лазера.
Введение для зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительного источника питания 43, полярность которого противоположна полярности источника питания 15, значительно уменьшает разность потенциалов между заземленными и высоковольтными элементами разрядного контура лазера, что значительно снижает требования к электрической изоляции, позволяя уменьшить габариты элементов разрядного контура и минимизировать его индуктивность. Это реализует возможность увеличить длину электродов и повысить энергию генерации лазера при малой индуктивности разрядного контура и высоком КПД лазера. Кроме этого, за счет значительного снижения напряжения, упрощается эксплуатация лазера и повышается его надежность.
Герметичное закрепление каждого дополнительного керамического контейнера 39 на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10 позволяет осуществлять в процессе работы лазера проток электрически прочной среды, например воздуха, через конденсаторы 40, 26, охлаждать их и устранять образующийся в контейнерах 39 озон. Это обеспечивает высокоэффективную надежную и стабильную работу лазера предложенной конструкции в долговременном режиме. Кроме этого, реализуется возможность зарядки дополнительных конденсаторов 40 с торцов каждого дополнительного контейнера 39.
Осуществление зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительным источником питания 43 с торцов каждого дополнительного контейнера 39 конструктивно наиболее просто. Поскольку индуктивность контура и время зарядки дополнительных конденсаторов 40 больше, чем конденсаторов 11, для достижения максимальной скорости нарастания электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда и обеспечения однородного устойчивого разряда источник питания 15 включают с указанной временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника 43.
Применение дополнительных контейнеров 39 в виде круглых цилиндрических труб (Фиг.7) обеспечивает наибольшую простоту их конструкции, механическую прочность и, соответственно, надежность керамических контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением.
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг.8, введена дополнительная система циркуляции газа, содержащая дополнительный диаметральный вентилятор 46, охлаждаемые водой дополнительные трубки 47 теплообменника, систему дополнительных направляющих лопастей и спойлеров 48, 49, 50. За счет этого значительно повышается скорость смены газа между первым и вторым электродами 2, 3 и улучшается охлаждение газовой смеси, что позволяет увеличить частоту повторения импульсов и среднюю мощность лазера.
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг.8, блок предыонизации 6 расположен вблизи первого электрода. Для данного варианта изобретения предыонизацию осуществляют автоматически с момента включения источника питания 15 с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 43, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 40 и конденсаторов 11. Предыонизацию осуществляют производя быструю импульсную зарядку вспомогательных конденсаторов 26 через разрядный промежуток блока предыонизации 6. Это способствует повышению однородности вспомогательного разряда, и как следствие, повышает однородность и устойчивость основного разряда. В остальном лазер функционирует, как описано выше.
Возможность предложенной в этом варианте изобретения высокоэффективной автоматической предыонизации с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 43, то есть после начала роста разрядного напряжения, не является очевидным. Однако, в соответствии с опытными данными, эффективная предыонизация в таком режиме может быть осуществлена. Это связано с тем, что газовые смеси эксимерных лазеров отличаются высокой скоростью прилипания электронов к донорам галогенов HCl, F2, зависящей от величины напряженности электрического поля между первым и вторым электродами 2, 3. В связи с этим предыонизация может обеспечивать максимальный КПД лазера при ее включении с момента достижения величины напряжения на электродах 2, 3 лазера, при которой частота ионизации газа электрическим полем начинает преобладать над частотой прилипания электронов к донорам галогенов. В соответствии с опытными данными, для характерных времен ~180 не роста напряжения от нулевого уровня до пробойного, задержка начала максимально эффективной предыонизации относительно начала роста разрядного напряжения для XeCl лазера достигает 50 нс. Задержка может быть увеличена, если скорость роста напряжения до момента включения блока предыонизации ниже. Таким образом, при времени зарядки конденсаторов ~180 нс время зарядки дополнительных конденсаторов 40 может быть существенно больше 230 нс, обеспечивая в соответствии с предложенным вариантом способа генерации лазерного излучения высокоэффективную автоматическую предыонизацию у первого электрода 2.
Введение предложенного количества (либо один, либо два) дополнительных керамических контейнеров оптимально для обеспечения простоты конструкции мощного высокоэнергетичного лазера. Выполнение высоковольтных и заземленных токовводов 41, 42 дополнительных керамических контейнеров 39 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы. Для обеспечения малой индуктивности разрядного контура достаточно установки вдоль каждого дополнительного контейнера 39 по двенадцать высоковольтных и заземленных токовводов 41, 42 в расчете на 1 м длины электродов.
Форма дополнительных контейнеров 39 в виде прямоугольных труб (Фиг.8) позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 44, 45 контейнеров 39, обращенные к области разряда 4, позволяют эффективно формировать в ней высокоскоростной поток газа.
В вариантах реализации изобретения, иллюстрируемых Фиг.7, Фиг.8, Фиг.10, форма заземленных газопроницаемых обратных токопроводов 14, вогнутых в сторону области разряда 4, соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между высоковольтными электродами 2, 3 противоположной полярности. В связи с этим достигается уменьшение индуктивности разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в области разряда 4, что способствует достижению высокого КПД лазера.
Все это обеспечивает возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.
Варианты изобретения, направленные на дальнейшее повышение энергии и мощности лазерного излучения, относятся к лазерной системе. Двухлучевая лазерная система, схематично показанная на Фиг.9, содержит шасси 51, на котором размещены выполненные в соответствии с настоящим изобретением и описанные выше первый лазер 52 и идентичный первому второй лазер 53. При этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общий источник питания 54. Выводы 55, 56 общего источника питания 54 малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам 11 каждого из лазеров 52, 53. Предпочтительно, что общий источник питания 54 включает в себя систему компрессии импульсов накачки лазеров 52, 53, содержащую два малоиндуктивных насыщаемых дросселя 57, 58, выводы которых совмещены с высоковольтными выводами 55, 56 общего источника питания 54. Между конденсаторами 11 второго лазера 53 и общим источником питания 54 может быть введена линия задержки 60. При этом линия задержки 60 может быть совмещена с насыщаемым дросселем 58 общего источника питания 54.
В процессе работы двухлучевой лазерной системы в каждом из лазеров 52, 53 синхронизированно осуществляют предыонизацию газа между первым и вторым электродами 2, 3 и производят импульсную зарядку конденсаторов 11 от общего источника питания 54, установленного вместе с лазерами на шасси 51. Затем зажигают разряд между первым и вторым электродами 2, 3 и получают генерацию луча лазера в каждом из лазеров 52, 53. При этом импульсную зарядку конденсаторов 11 каждого из лазеров 52, 53 предпочтительно осуществляют через обеспечивающие компрессию импульсов накачки малоиндуктивные насыщаемые дроссели 57, 58, выводы которых совмещены с выводами 55, 56 общего источника питания 54. При необходимости с помощью линии задержки 60 регулируют время между срабатыванием лазеров 52, 53. В остальном работа каждого из лазеров 52, 53 не отличается от описанной выше, что позволяет получить в лазерной системе генерацию двух лучей лазера.
Для применений могут использоваться либо два отдельных лазерных луча, либо один луч. В последнем случае совмещение двух лазерных лучей осуществляется в специальном оптическом модуле, размещаемом предпочтительно вне шасси 51.
При выполнении в указанном виде лазерная система позволяет вдвое, по сравнению с одиночным лазером, увеличить энергию генерации и мощность лазера при сохранении высокой эффективности преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения. При этом за счет использования шасси, обеспечивающего транспортабельность системы, и общего источника питания работа лазерной системы более проста по сравнению с использованием двух отдельных мощных лазеров. Кроме этого, достигается синхронизация работы двух лазеров, упрощается возможность совмещения двух лазерных лучей в один.
В вариантах изобретения, схематично показанном на Фиг.10, лазерная система содержит шасси 51, на котором размещены выполненные в соответствии с настоящим изобретением первый лазер 52 и идентичный первому второй лазер 53. При этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общий источник питания 54 и дополнительные источники питания первого и второго лазеров 52, 53 совмещены в общий дополнительный источник питания 59.
В соответствии с одним из вариантов изобретения в лазерах вблизи второго электрода 3 установлен один дополнительный керамический контейнер 39, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу 36, в которой размещен второй электрод 3 (Фиг.10). Это позволяет формировать высокоскоростной поток газа между первым и вторым электродами 2, 3, давая возможность увеличить частоту следования импульсов и повысить среднюю мощность излучения лазера.
Также в соответствии с одним из вариантов изобретения в каждом лазере дополнительный керамический контейнер 39 заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой 37 под давлением, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере 1, и к торцам каждого дополнительного контейнера 39, заполненного электрически прочной средой 37, герметично подсоединена система 38 поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере 1, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 37. Это позволяет оптимизировать с точки зрения повышения мощности лазера форму дополнительного контейнера, обеспечив при этом его надежность за счет снижения механических нагрузок.
В этом варианте изобретения (Фиг.10) работу лазерной системы реализуют следующим образом. Включают общий дополнительный источник питания 59 и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера 48 каждого лазера 52, 53 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 40. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 40 и конденсаторов 11, включают общий источник питания 54. После насыщения малоиндуктивных дросселей 57, 58 через выводы 55, 56 общего источника питания 54 осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 11 каждого из лазеров 52, 53 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 40. Одновременно осуществляют автоматическую предыонизацию газа в области разряда 4. После момента одновременного окончания зарядки конденсаторов 11 и дополнительных конденсаторов 40 осуществляют разряды в первом и втором лазерах 52, 53 между высоковольтными первым 2 и вторым 3 электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 11, дополнительные конденсаторы 40, газопроницаемые обратные токопроводы 14 и токовводы 12, 13, 41, 42 контейнеров 10 и дополнительных контейнеров 39, что позволяет получить генерацию излучения в каждом из лазеров 52, 53.
Варианты изобретения, иллюстрируемые Фиг.10, позволяют повысить энергию генерации и мощность лазерной системы за счет использования в ее составе наиболее высокоэнергетичных и мощных лазеров.
Следующие варианты изобретения направлены на более чем двойное повышение мощности излучения лазерной системы по сравнению с мощностью каждого из двух входящих в ее состав лазеров.
В этих вариантах изобретения в лазерной системе (Фиг.9, Фиг.10) между конденсаторами 11 второго лазера 53 и общим источником питания 54 введена линия задержки 60, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере 53 на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере 52. В этих вариантах изобретения, как иллюстрируется блок-схемой Фиг.11, на шасси 51 размещена система оптической связи 61 между двумя лазерами 52, 53, обеспечивающая инжекцию во второй лазер 53 внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера 52.
Система оптической связи 61 между лазерами 52, 53 может быть размещена либо внутри, либо снаружи (Фиг.11) зеркал 62, 63 резонатора каждого лазера. В качестве варианта реализации изобретения система оптической связи 61 может включать в себя пластины 64, 65, просветленные с одной стороны, то есть отклоняющие около 4% лазерного излучения, и полностью отражающие зеркала 66, 67, обеспечивающие увеличение оптической связи между двумя лазерами 52, 53.
В промышленном производстве с использованием лазерного излучения могут применяться либо два отдельных лазерных луча 68, 69, либо один луч 70. В последнем случае совмещение двух лазерных лучей 68, 69 осуществляется вне шасси 51 лазерной системы в оптическом модуле 71.
В этих вариантах изобретения способ генерации лазерного излучения посредством лазерной системы (Фиг.9, 10, 11) осуществляют следующим образом. За счет линии задержки 60 между источником питания 54 и вторым лазером 53, разряд во втором лазере 53 зажигают с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала (менее десятков нс) между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере 52. С помощью системы оптической связи 61, включающей, например, просветленные с одной стороны пластины 64, 65 и полностью отражающие зеркала 66, 67 (Фиг.11) производят инжекцию во второй лазер 53 внешнего оптического сигнала. Внешний оптический сигнал представляет собой малую часть лазерного излучения, выходящего из резонатора, образованного зеркалами 62, 63 первого лазера 52. За счет инжекции внешнего оптического сигнала снижают порог генерации во втором лазере 53. Системой оптической связи 61 на завершающем этапе разряда в первом лазере 52 обеспечивают инжекцию в него внешнего оптического сигнала от второго лазера 53. При необходимости совмещение двух параллельных лазерных лучей 68, 69 в один лазерный луч 70 осуществляют в оптическом модуле 71. После того, как в каждом лазере система циркуляции газа сменит газ между электродами 2, 3, цикл работы лазерной системы повторяют.
При получении лазерной генерации предложенным способом снижается порог генерации во втором лазере за счет инжекции в него внешнего оптического сигнала сразу после зажигания в нем разряда. Это может увеличивать КПД второго лазера на ~30%. С другой стороны, инжекция внешнего оптического сигнала из второго лазера в первый лазерный модуль увеличивает часть энергии генерации первого лазерного модуля на завершающем этапе разряда.
Таким образом, при выполнении в указанном виде лазерная система и способ генерации лазерного излучения позволяют повысить эффективность лазерной системы в целом.
При выполнении в соответствии с настоящим изобретением газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, а также лазерные системы, приобретают существенные новые положительные качества.
Применение высоковольтных токовводов 21, снабженных керамическими изоляторами 22, заземленных токопроводов 23 и токовводов 12, 13 каждого керамического контейнера 10 обеспечивает малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам 11, размещенным в керамических контейнерах 10 (Фиг.1-10). За счет этого достигается увеличение скорости нарастания электрического поля и повышение величины напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте следования импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются эксплуатационные расходы.
Герметичное закрепление каждого керамического контейнера 10 на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10 позволяет осуществлять в процессе работы лазера проток электрически прочной среды, например воздуха, через конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, охлаждать их, устранять образующийся в контейнерах 10 озон или предотвращать возможность его образования (Фиг.2). Все это обеспечивает высокоэффективную надежную и стабильную работу лазера предложенной конструкции в долговременном режиме.
Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере вспомогательных конденсаторов 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации через вспомогательные герметичные токовводы контейнера с емкостью, многократно меньшей емкости конденсаторов 11, упрощает конструкцию и эксплуатацию лазера за счет реализации автоматической предыонизации (Фиг.1-10). Малая емкость вспомогательных конденсаторов 26, достаточная для высокоэффективной высокостабильной работы лазера, обеспечивает большое время жизни блока предыонизации, газовой смеси и лазера в целом.
Варианты изобретения (Фиг.1-3, 6-10), в которых части 24, 25 поверхности каждого керамического контейнера 10, обращенные к области разряда 4, расположены заподлицо с первым электродом 2, образуя вблизи него расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока, позволяют формировать высокоскоростной поток газа в области разряда 4 для реализации режима работы с высокой частотой повторения импульсов и высокой мощностью лазера.
В вариантах изобретения, в которых, по меньшей мере, части 24, 25 протяженных керамических контейнеров 10 расположены по бокам области разряда 4, образуя расположенные вверх и вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4 (Фиг.4, 5), устраняется нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода 3. Кроме этого, данный вариант изобретения позволяет в более широких пределах, по сравнению с известными аналогами, оптимизировать геометрию газового потока. При этом за счет максимально близкого размещения конденсаторов 11 к области разряда 4 индуктивность разрядного контура может быть минимизирована, что обеспечивает увеличение КПД лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.
Установка вблизи первого электрода 2 одного протяженного керамического контейнера 10, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу 36, в которой размещен первый электрод 2 заподлицо с частями 24, 25 керамического контейнера 10, обращенными к области разряда 4 (Фиг.6), позволяет оптимизировать форму керамического контейнера для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда 4, обеспечения малой индуктивности разрядного контура, увеличения количества и энергозапаса размещаемых в нем конденсаторов 11. Это также обеспечивает возможность увеличения КПД лазера, высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.
Введение дополнительных керамических контейнеров 39 или контейнера 39 с размещенными в них дополнительными конденсаторами 40 (Фиг.7, 8) позволяет значительно, примерно вдвое по сравнению с вариантами реализации устройства, представленного на Фиг.1-5, увеличить суммарную энергию, запасаемую в конденсаторах, подключенных к первому и второму электродам лазера 2, 3. Это значительно, примерно вдвое, увеличивает энергию генерации лазера. При этом введение для зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительного источника питания 43, полярность которого противоположна полярности источника питания 15, значительно уменьшает разность потенциалов между заземленными и высоковольтными элементами разрядного контура лазера, что значительно снижает требования к электрической изоляции, позволяя уменьшить габариты элементов разрядного контура и минимизировать его индуктивность. Это реализует возможность увеличить длину электродов и повысить энергию генерации лазера при малой индуктивности разрядного контура и высоком КПД лазера. Кроме этого, за счет значительного снижения напряжения, упрощается эксплуатация лазера и повышается его надежность.
Осуществление зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительным источником питания 43 с торцов каждого дополнительного контейнера 39 обеспечивает простоту конструкции мощного лазера. При этом включение источника питания с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 43, равной разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов 40 и времени зарядки конденсаторов 11, обеспечивает максимальную скорость нарастания электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда. В результате обеспечивается формирование однородного устойчивого объемного разряда лазера.
Размещение дополнительных керамических контейнеров 39 таким образом, что их поверхности 44, 45, обращенные к области разряда 4, образуют вблизи второго электрода 3 расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока (Фиг.7, 8), позволяет эффективно формировать высокоскоростной поток газа в области разряда 4 для реализации режима работы с высокой частотой повторения импульсов и высокой мощностью лазера.
Выполнение газопроницаемых обратных токопроводов 14 вогнутыми в сторону области разряда 4 (Фиг.7, 8), что соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между высоковольтными электродами 2, 3 противоположной полярности, позволяет уменьшить индуктивность разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в области разряда 4. Это способствует достижению высокого КПД лазера и обеспечивает возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.
При размещении, по меньшей мере, одного блока предыонизации 6 в непосредственной близости от второго электрода 3, и установка, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере 39 вдоль его длины вспомогательных герметичных токовводов 27 и размещение в нем вспомогательных конденсаторов 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации через вспомогательные токовводы 27 (Фиг.7), позволяет осуществлять автоматическую предыонизацию со стороны второго электрода, что может быть оптимально в некоторых вариантах изобретения.
Установка вблизи второго электрода 3 одного дополнительного керамического контейнера 39, поверхность которого, обращенная к разрядной области 4, имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод 2 заподлицо с частями 44, 55 керамического контейнера 10, обращенными к области разряда 4 (Фиг.10), позволяет оптимизировать форму дополнительного керамического контейнера для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда 4 и обеспечения малой индуктивности разрядного контура. Это также обеспечивает увеличение КПД лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.
Введение в некоторых вариантах изобретения дополнительной системы циркуляции газа (Фиг.8) значительно повышает скорость смены газа между первым и вторым электродами 2, 3 и улучшает охлаждение газовой смеси, что позволяет увеличить частоту повторения импульсов и среднюю мощность лазера.
Выполнение в вариантах изобретения первого и второго электродов сплошными (Фиг.1, 2, 4, 5) и установка, по меньшей мере, одного блока предыонизации сбоку либо первого электрода (Фиг.4, 5), либо второго электрода (Фиг.1, 2) позволяет упростить и удешевить конструкцию электродной системы мощного лазера.
Выполнение в вариантах изобретения либо первого электрода (Фиг.3, 8-10), либо второго электрода (Фиг.7) частично прозрачным с блоком предыонизации, установленным с обратной стороны частично прозрачного электрода, позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при компактной малоиндуктивной разрядной системе лазера. Такая разрядная система характеризуется высокой эффективностью смены газа в области разряда 4, то есть малым, ~1, коэффициентом К смены газа, достаточным для эффективной высокостабильной работы мощного лазера.
Использование в предпочтительных вариантах изобретения блока предыонизации, содержащего систему формирования протяженного однородного скользящего разряда в виде плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) (Фиг.1-4, 6-10), позволяет реализовать в области разряда 4 однородную предыонизацию оптимально высокого уровня. Это обеспечивает высокие: эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы мощного лазера в долговременном режиме.
Применение в некоторых вариантах изобретения блоков предыонизации, содержащих систему формирования коронного разряда (Фиг.5), позволяет в ряде случаев, не требующих высокой энергии генерации, упростить разрядную систему лазера.
Выполнение керамических контейнеров 10 либо дополнительных керамических контейнеров 39 в виде круглых цилиндрических труб (Фиг.3, 8, 10) обеспечивает их наибольшую простоту, механическую прочность и надежность.
Выполнение в других вариантах изобретения керамических контейнеров 10 либо дополнительных керамических контейнеров 39 в виде прямоугольных труб (Фиг.3, 8, 10) позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 24, 25 керамических контейнеров 10 либо плоские протяженные части 44, 45 дополнительных керамических контейнеров 39, обращенные к области разряда 4, позволяют эффективно формировать в ней высокоскоростной поток газа. Все это позволяет увеличить мощность лазера при при высоком КПД.
Заполнение в соответствии с вариантами изобретения, по меньшей мере, одного керамического контейнера 10 или дополнительного керамического контейнера 39 либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой 37 под давлением, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере 1, позволяет оптимизировать с точки зрения повышения мощности лазера форму керамического контейнера, обеспечив при этом его надежность за счет снижения механических нагрузок (Фиг.6, 10). Герметичное подсоединение к торцам каждого керамического контейнера 39, заполненного электрически прочной средой 37, системы 38 поддержания давления, выполненной с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 37, при необходимости позволяет поддерживать оптимальные условия работы конденсаторов 11, вспомогательных конденсаторов 26 и/или дополнительных конденсаторов 40 в режиме с высокой частотой повторения импульсов.
Использование лазерной системы с двумя идентичными лазерами, выполненными в соответствии с различными вариантами настоящего изобретения (Фиг.9, 10), позволяет, по меньшей мере, вдвое увеличить мощность лазерного излучения.
За счет использования шасси 51, обеспечивающего транспортабельность лазерной системы, и общего источника питания 54 ее работа более проста по сравнению с использованием отдельных мощных лазеров. При этом упрощается синхронизация работы двух лазеров 52, 53, а также упрощается возможность совмещения двух лазерных лучей в один лазерный луч.
При введении линии задержки 60 в цепь зарядки конденсаторов 11 второго лазера 53, а также системы оптической связи 61 между лазерами 52, 53 за счет функционирования лазерной системы предложенным способом снижается порог генерации во втором лазере 53 за счет инжекции внешнего оптического сигнала сразу после зажигания в нем разряда (Фиг.11). Это может увеличивать энергию генерации во втором лазере 53 на ~30%, обеспечивая более чем двукратное повышение мощности излучения лазерной системы по сравнению с мощностью каждого из двух входящих в ее состав лазеров 52, 53 и, в целом, повышение КПД лазерной системы.
Таким образом, выполнение газоразрядного, в частности, эксимерного лазера, лазерной системы и способов генерации излучения в предложенном виде позволяет при простой и надежной конструкции лазерной камеры значительно увеличить энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при высоком КПД лазера или лазерной системы, а также уменьшить эксплуатационные расходы.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложенные изобретения позволяют создать наиболее высокоэнергетичные, мощные и высокоэффективные эксимерные лазеры и лазерные системы с различными сочетаниями длины волны излучения (от 157 до 351 нм), энергии генерации (от ~0.01 до более 2 Дж/импульс) и частоты следования импульсов (от ~300 Гц до ~6000 Гц) для крупных промышленных производств, научных исследований и других применений. К ним относятся: производство плоских LCD и OLED дисплеев методом лазерного отжига, модификация и упрочнение поверхности, 3D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом импульсной лазерной абляции, экологический мониторинг с использованием мощных УФ лидаров, производство интегральных схем методом лазерной ВУФ литографии и др.
Список обозначений
второго электрода
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2510109C1 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2012 |
|
RU2503104C1 |
| ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2531069C2 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2012 |
|
RU2519867C2 |
| ЭКСИМЕРНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2519869C2 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР, ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2514159C2 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2506671C1 |
| ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2011 |
|
RU2446530C1 |
| РАЗРЯДНАЯ СИСТЕМА ЭКСИМЕРНОГО ЛАЗЕРА (ВАРИАНТЫ) | 2013 |
|
RU2557325C2 |
| ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР | 2011 |
|
RU2467442C1 |
Изобретение относится к лазерной технике. В газоразрядном лазере конденсаторы (11), малоиндуктивно подключенные к электродам (2, 3) лазера, размещены вблизи первого электрода (2) в керамических контейнерах (10) и малоиндуктивно соединены с импульсным источником питания (15) через токовводы (12, 13) каждого контейнера, высоковольтные токовводы (21) металлической лазерной камеры (1) и протяженные заземленные токопроводы (23), расположенные по обе стороны керамических контейнеров (10). Концевые части (29) каждого керамического контейнера (10) герметично закреплены на торцах (30) лазерной камеры (1) с возможностью доступа или подсоединения к внутренней части контейнера (10). Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности лазера и в уменьшении затрат на получение энергии генерации. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.
1. Газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру (1), состоящую преимущественно из металла, протяженные первый электрод (2) и второй электрод (3), расположенные друг против друга и определяющие область разряда (4) между ними, с первым электродом (2), расположенным со стороны металлической стенки (5) лазерной камеры (1); по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации (6); расположенные вблизи первого электрода (2) либо один протяженный керамический контейнер (10), либо два протяженных керамических контейнера (10), имеющих форму либо круглой, либо прямоугольной трубы, набор конденсаторов (11), размещенных в каждом из керамических контейнеров (10), причем конденсаторы (11) подключены к первому и второму электродам (2, 3) через высоковольтные и заземленные токовводы (12, 13) каждого керамического контейнера (10) и через газопроницаемые обратные токопроводы (14), расположенные по обе стороны первого и второго электродов (12, 13); источник питания (15), подключенный к конденсаторам (11); систему циркуляции газа (16-20) и резонатор, при этом со стороны первого электрода (2) в металлической стенке (5) лазерной камеры (1) вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы (21), каждый из которых снабжен керамическим изолятором (22), внутри лазерной камеры (1) по обе стороны либо керамических контейнеров (10), либо керамического контейнера (10) размещены протяженные заземленные токопроводы (23), соединенные с металлической стенкой (5) лазерной камеры (1), источник питания (15) малоиндуктивно подключен к конденсаторам (11) через упомянутые высоковольтные токовводы (21) и заземленные токопроводы (22), а также через высоковольтные и заземленные токовводы (12, 13) каждого керамического контейнера (10), и концевые части (29) каждого керамического контейнера (10) герметично закреплены на торцах (30) лазерной камеры (1) с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера (10).
2. Лазер по п.1, в котором, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере (10) размещены вспомогательные конденсаторы (26), емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов (11), вдоль длины контейнера (10) установлены вспомогательные герметичные токовводы (27), через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов (26) подсоединена к блоку предыонизации (6).
3. Лазер по п.1, в котором части (24, 25) поверхности каждого керамического контейнера (10), обращенные к области разряда, расположены заподлицо с первым электродом (2), образуя вблизи первого электрода (2) расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.
4. Лазер по п.1, в котором, по меньшей мере, часть (24, 25) каждого протяженного керамического контейнера (10) размещена сбоку от области разряда (4), образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда (4) направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда (4).
5. Лазер по п.1, в котором вблизи первого электрода (2) установлен один протяженный керамический контейнер (10), поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу (36), в которой размещен первый электрод (2).
6. Лазер по п.1, в камере которого размещены либо один, либо два дополнительных протяженных керамических контейнера (39), каждый дополнительный керамический контейнер (39) расположен вблизи второго электрода (2),
в каждом дополнительном керамическом контейнере (39) размещены дополнительные конденсаторы (40),
в стенках каждого дополнительного керамического контейнера (39) вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы (41) и заземленные токовводы (42),
при этом конденсаторы подключены ко второму электроду (3) через газопроницаемые обратные токопроводы (14), высоковольтные токовводы (41) и заземленные токовводы (42) каждого дополнительного контейнера (39) и дополнительные конденсаторы (40),
снаружи лазерной камеры (1) размещен подключенный к дополнительным конденсаторам (40) дополнительный источник питания (43), полярность которого противоположна полярности источника питания (15).
7. Лазер по п.7, в котором концевые части каждого дополнительного керамического контейнера (39) герметично закреплены на торцах (30) лазерной камеры (1) с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части дополнительного контейнера (39).
8. Лазер по п.7, в котором дополнительный источник питания (43) подключен к дополнительным конденсаторам (40) с торцов каждого дополнительного керамического контейнера (39).
9. Лазер по п.6, в котором временная задержка между включениями дополнительного источника питания (43) и источника питания (15) равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов (40) и времени зарядки конденсаторов (11).
10. Лазер по п.6, в котором части (44, 45) поверхности каждого дополнительного керамического контейнера (39), обращенные к области разряда (4), образуют вблизи второго электрода (3) расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.
11. Лазер по п.6, в котором газопроницаемые обратные токопроводы (14) выполнены вогнутыми в сторону области разряда (4).
12. Лазер по п.6, в котором, по меньшей мере, один блок предыонизации (6) размещен в непосредственной близости от второго электрода (2), и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере (39), вдоль его длины установлены вспомогательные герметичные токовводы (27) и размещены вспомогательные конденсаторы (26), одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации (6) через вспомогательные токовводы (27).
13. Лазер по п.6, в котором вблизи второго электрода (3) установлен один дополнительный керамический контейнер (39), поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу (36), в которой размещен второй электрод (3).
14. Лазер по любому из пп.1-6, лазерная камера (1) которого снабжена дополнительной системой циркуляции газа (46-50).
15. Лазер по любому из пп.1-6, в котором первый электрод (2) и второй электрод (3) выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации (6) установлен сбоку либо первого электрода (2), либо второго электрода (3).
16. Лазер по любому из пп.1-6, в котором либо первый электрод (2), либо второй электрод (3) выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации (6) установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.
17. Лазер по любому из пп.1-6, в котором блок предыонизации (6) содержит систему (7, 8, 9) формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.
18. Лазер по любому из пп.1-6, в котором блок предыонизации (6) содержит систему (34, 35) формирования коронного разряда.
19. Лазер по п.7, в котором, по меньшей мере, один дополнительный керамический контейнер (39) имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.
20. Лазер по любому из пп.1-6, в котором, по меньшей мере, один керамический контейнер (10) либо дополнительный керамический контейнер (39) заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой (37) под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере, и к торцам каждого керамического контейнера (10, 39), заполненного электрически прочной средой (37), герметично подсоединена система (38) поддержания давления электрически прочной среды (37), близким к давлению газовой смеси в лазерной камере (1), причем система (38) поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды (37).
21. Способ генерации лазерного излучения посредством лазера по любому из пп.6-13, заключающийся в осуществлении импульсной зарядки конденсаторов (11), размещенных в каждом керамическом контейнере (10), с помощью источника питания (15) и предыонизации газовой смеси между первым и вторым электродами (2, 3), осуществлении разряда между первым и вторым электродами (2, 3) и генерации луча лазера, при котором предварительно включают дополнительный источник питания (43), и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера (39) производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов (40), затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов (40) и конденсаторов (11), включают источник питания (15) и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов (11) напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов (40), после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов (11) и дополнительных конденсаторов (40) осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами (2, 3) противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы (11) и дополнительные конденсаторы (40), последовательно соединенные между собой через газопроницаемые токопроводы (14), вогнутые в сторону области разряда (4).
22. Способ генерации лазерного излучения по п.21, при котором с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания (43), равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов (40) и конденсаторов (11), осуществляют предыонизацию со стороны первого электрода (2).
23. Способ генерации лазерного излучения посредством лазера по п.20, включающий предыонизацию газовой смеси между первым и вторым электродами (2, 3), осуществление разряда между первым и вторым электродами (2, 3) и генерацию луча лазера, при котором в процессе работы лазера поддерживают давление электрически прочной среды (37), заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер (10) либо дополнительный керамический контейнер (39), близким к давлению газовой смеси в лазерной камере (1).
24. Лазерная система, содержащая шасси (51), на котором размещены первый лазер (52), выполненный по любому из пп.1-21, второй лазер (53), идентичный первому лазеру (52), при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания (54) лазерной системы.
25. Лазерная система по п.24, в которой первый лазер (52), выполненный по любому из пп.7-21, имеет дополнительный источник питания, второй лазер (53) идентичен первому лазеру (52), при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания (54), и дополнительные источники питания первого и второго лазеров (52, 53) совмещены в общем дополнительном источнике питания (59) лазерной системы.
26. Лазерная система по любому из пп.24, 25, в которой между конденсаторами (11) второго лазера (53) и общим источником питания (54) введена линия задержки (60), обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере (53) на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере (52), и на шасси (51) размещена система оптической связи (61) между двумя лазерами (52, 53), обеспечивающая инжекцию во второй лазер (53) внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера (52).
27. Способ генерации лазерного излучения посредством лазерной системы по п.26, заключающийся в осуществлении в первом и втором лазерах (52, 53) предыонизации газовой смеси, осуществлении разряда между первым и вторым электродами (2, 3) и генерации луча лазера, при котором после зажигания разряда в первом лазере (52) зажигают разряд во втором лазере (53) с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере (52), и с помощью системы оптической связи (61) производят инжекцию во второй лазер (53) внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера (52), снижая порог генерации во втором лазере (53).
| ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2011 |
|
RU2446530C1 |
| US 7257144 B2, 14.08.2007 | |||
| US 6757315 B1, 29.06.2004 | |||
| СИСТЕМА ОЧЕНЬ УЗКОПОЛОСНОГО ДВУХКАМЕРНОГО ГАЗОРАЗРЯДНОГО ЛАЗЕРА С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ | 2002 |
|
RU2306649C2 |
| US 20060222034 A1, 05.10.2006. | |||
