СПОСОБ СОЗДАНИЯ АКТИВНОЙ СРЕДЫ KrF ЛАЗЕРА Российский патент 2016 года по МПК H01S3/225 H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании электроразрядных эксимерньгх лазеров.

Известно, что эксимерные лазеры генерируют высокоинтенсивное излучение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра с высокой эффективностью (2-4)%. Активная среда таких лазеров образуется в результате формирования некоторого объема низкотемпературной плазмы, которая создается электрическим объемным разрядом между двумя протяженными электродами (поперечный разряд). Для зажигания объемного разряда используют специальные импульсные генераторы. Эти генераторы обеспечивают предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке и затем быстрое (десятки наносекунд) зажигание объемного разряда. Длительность импульса генерации KrF лазера обычно составляет 10-20 нс, а энергия генерации в импульсе сотни миллиджоулей. К настоящему времени в литературе имеется значительное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению этих лазеров. Тем не менее, и сейчас остаются актуальными исследования, направленные на улучшение характеристик излучения в таких лазерах.

В настоящее время известны лазеры на газовых смесях Ne(He)-Kr(Ar)-F₂, излучающие на молекулах KrF и ArF [1-5], в которых создание активной среды происходит в следующей последовательности: от генератора накачки на разрядный промежуток подается импульс напряжения, при этом включается искровая предыонизация, создающая предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, при достижении пробивного напряжения на разрядном промежутке наступает его пробой и зажигается объемный разряд, создающий активную среду. Разрядный ток, протекающий через разряд, носит колебательный затухающий характер. Однако, объемный разряд обычно существует только в течение первого полупериода разрядного тока, поскольку разряд в газовых смесях с галогенидами является очень не устойчивый, и обычно в конце первого полупериода разрядного тока, или в начале второго, начинается контракция (стягивание в канал) разряда и активная среда прекращает свое существование. Поэтому импульс генерации после первого полупериода тока обычно прекращается [1-5]. Оптимальная удельная мощность накачки KrF лазера находится в диапазоне 2-4 МВт/см³. Отметим, что в данных лазерах типичная крутизна переднего фронта (от 10% до 90% амплитуды) нарастания разрядного тока составляет ~20-25 нс.

Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является способ формирования активной среды в эксимерном лазере, описанный в работах [4, 5], в котором создание активной среды на молекулах KrF происходит с помощью генератора накачки на основе LC-инвертора, который обеспечивает удельную мощность накачки 2-4 МВт/см³. В данном лазере обеспечивается достаточно крутой фронт нарастания разрядного тока ~18 нс, что и обеспечивает достаточно высокие параметры лазера (энергию и КПД). Однако активная среда в лазере существует только в первом полупериоде разрядного тока, поэтому импульс генерации после него прекращается и имеет длительность на полувысоте амплитуды 10-12 нс, а по основанию 18-20 нс.

Главным недостатком технического решения, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, является малая длительность существования активной среды, которая создается при оптимальной мощности накачки только в первом полупериоде разрядного тока. Ограничение длительности существования активной среды, безусловно, снижает энергетические параметры лазера как при генерации, так и при использовании его в качестве усилителя.

Указанный технический результат, при осуществлении заявляемого технического решения, достигается тем, что в известном способе создания активной среды KrF лазера при зажигании объемного разряда в газовой смеси импульсом разрядного тока, заключающемся в подаче импульсного напряжения на разрядный промежуток, включении искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, пробое разрядного промежутка и зажигании объемного разряда, через который протекает разрядный ток, согласно изобретению, объемный разряд зажигается биполярным импульсом разрядного тока с общей длительностью 70-85 нс, передним фронтом 8-10 нс и максимальной удельной мощностью накачки (3.5-4.5) МВт/см³.

Предложенный способ основан на обнаруженном нами режиме накачки, при котором зажигание и сохранение однородного объемного разряда с высокой удельной мощностью накачки (3-4 МВт/см³), как и в прототипе, сохраняется в течение нескольких полупериодов разрядного тока, тем самым, увеличивая временной диапазон существование активной среды, в течение которого реализуется эффективная генерация лазерного излучения. Данный режим в основном обусловлен более крутым передним фронтом разрядного тока (8-10 нс), который нам удалось реализовать при сохранении высокой удельной мощностью накачки (3.5-4.5 МВт/см³). Реализация такого крутого переднего фронта обеспечивала формирование более однородного объемного разряда и его горение в течение нескольких полупериодов разрядного тока. Кроме этого, более быстрое нарастание мощности накачки уменьшило время запаздывания для превышения порога генерации в лазере, и тем самым, дополнительное удлинило импульс генерации в передней его части.

На фиг. 1 приведен пример экспериментальной реализации предлагаемого решения, в качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения.

Активная среда формировалась в электроразрядном KrF лазере, в котором использовался LC-генератор накачки (как и в прототипе), состоящий из зарядных емкостей С₁ и С₂, индуктивности L₁ коммутатора (тиратрон TPI-10K/20), зарядной индуктивности L₂, разрядной емкости С₃, индуктивностей зарядного контура L₃ и разрядного контура L₄, искровых промежутков ИП и разрядного промежутка РП, фиг. 1. Значения емкостей C₁, С₂ и С₃ были 100, 50 и 30 нФ, соответственно; индуктивностей L₁=20 нГн, L₂=100 мкГн, L₃=90 нГн и L₄=4 нГн. Металлические электроды разрядного промежутка имели длину рабочей поверхности 450 мм и межэлектродное расстояние 25 мм.

Принцип работы схемы заключался в следующем. После зарядки емкостей С1 и С2 срабатывал коммутатор и энергия из емкостей С1 и С2 через искровые промежутки, которые обеспечивали предыонизацию разрядного промежутка, передавалась в емкость С3. Напряжение на емкости С3 параллельно подавалось на разрядный промежуток (РП). После достижения пробивного напряжения разрядный промежуток РП пробивался и зажигался объемный разряд, через который протекал разрядный ток.

На Фиг. 2. приведена форма разрядного тока, имеющего колебательный характер. Длительность переднего фронта разрядного тока была 8-10 нс, скорость нарастания разрядного тока - 4.5×10¹² А/с, а максимальная плотность разрядного тока 1.13 кА/см². Максимальная мощность накачки составляла 3.3-4.5 МВт/см³. При этом использовалась лазерная смесь Ne:Kr:F₂=700:24:1 при давлении р=3.6 атм. В нашем случае при формировании разряда выполнялись одновременно два условия: зажигалась и удерживалась однородная объемная плазма в течение 80-90 нс, а также обеспечивался достаточно высокий коэффициент усиления (0.1 см^-1) за счет высокой мощности накачки 3.5-4.5 МВт/см³. При использовании плоскопараллельного резонатора длиной 120 см, длительность импульса генерации составила 29 нс на полувысоте амплитуды и 62 нс по основанию. Энергия в импульсе излучения достигала 0.8 Дж. Из Фиг. 2 видно, что импульс генерации начинается в первом полупериоде разрядного тока и заканчивается в конце второго полупериода, т.е. правомерно говорить о существовании генерации в течение биполярного импульса разрядного тока - биполярной накачки. Таким образом, в данном изобретении увеличена длительность существования активной среды, в течение которого реализуется высокий коэффициент усиления, это позволяет повышать эффективность и энергию лазерного излучения.

Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают возможность формирования высокоэнергетичного (мощного) импульса излучения с большей длительностью в активной среде на молекулах KrF при реализации накачки биполярным импульсом разрядного тока. Использование данного изобретения позволит создавать эффективные KrF лазеры с более высокой энергией лазерного пучка.

Источники информации

1. Б.М. Борисов, И.Е. Брагин, А.Ю. Виноходов, В.А. Водчин. Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Квантовая электроника. 1995. Т. 22. №6. С. 533-536.

2. А.А. Жупиков, A.M. Ражев. Эксимерный ArF-лазер с энергией 0.5 Дж на основе буферного газа Не // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. №8. С. 683-687.

3. В.В. Атежев, С.К. Вартапетов, А.Н. Жуков, М.А. Курганов, А.З Обидин. Эксимерный лазер с высокой когерентностью // Квантовая электроника. 2003. Т. 33. №8. С. 689-694.

4. А.А. Жупиков, A.M. Ражев. Эксимерный KrF-лазер на основе буферного газа Не с энергией 0.8 Дж и КПД 2% // Квантовая электроника. 1998. Т. 25. №8. С. 687-689.

5. A.M. Ражев, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная, А.В. Рябцев, А.А. Жупиков. Влияние интенсивности накачки на эффективность эксимерного электроразрядного KrF лазера на смеси He-Kr-F₂ // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. №10. С. 901-906.

Способ создания активной среды KrF лазера включает в себя зажигание объемного разряда в лазерной смеси после подачи импульсного напряжения на разрядный промежуток, включение искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, и пробой разрядного промежутка. Объемный разряд зажигают биполярным импульсом разрядного тока с общей длительностью 70-85 нс, передним фронтом 8-10 нс и максимальной удельной мощностью накачки (3.5-4.5) МВт/см³, тем самым создают активную среду с большей длительностью существования, что позволяет повышать эффективность и энергию лазерного излучения. 2 ил.

Способ создания активной среды KrF лазера при зажигании объемного разряда в газовой смеси, заключающийся в подаче импульсного напряжения на разрядный промежуток, включении искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, пробое разрядного промежутка и зажигании объемного разряда, через который протекает разрядный ток, отличающийся тем, что объемный разряд зажигается биполярным импульсом разрядного тока с общей длительностью 70-85 нс, передним фронтом 8-10 нс и максимальной удельной мощностью накачки (3.5-4.5) МВт/см³.