151120 (Эксимерные лазеры)

44

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Учебно-методическое пособие

Эксимерные лазеры

Н.В. Лисицына

Москва 2006

Содержание

Введение

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

1.1.1 Лазеры на галогенидах инертных газов

1.1.2 Лазеры на окислах инертных газов

1.1.3 Лазеры на эксимерных молекулах чистых инертных газов

1.1.4 Лазеры на двухатомных галогенах

1.1.5 Лазеры на парах металлов

1.1.6 Охлаждение, вентиляция и очистка рабочего газа

1.2 Накачка

1.2.1 Накачка электронным пучком

1.2.2 Накачка электрическим разрядом

1.2.2.1 Разрядные цепи

1.2.2.2 Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом

2.2.3 Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

1.2.2.4 Накачка двойным электрическим разрядом

1.3 Параметры выходного излучения

2. Коммерческие модели эксимерных лазеров

2.1 Лазер LPXPro 305 фирмы LAMBDA PHYSIK (Германия)

2.2 Лазер eX5 ФИРМЫ gam lasers, inc (сша)

3. Применения

3.1 Фотолизное возбуждение лазерных сред

3.2 Генерация коротковолнового излучения

3.2.1 Фотолитография

3.2.2 Лазерная хирургия. Пример пересчета параметров лазерного излучения

Литература

Введение

Эксимерные лазеры - один из самых интересных видов лазеров. Излучение источников, относящихся к этому виду, в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Мощность этих источников достигает единиц кВт. Эксимерные лазеры относятся к импульсным источникам. Частота повторения импульсов может доходить до 500 Гц. Этот вид лазеров имеет очень высокий квантовый выход и, как следствие, достаточно высокий КПД (до 2 - 4%).

Благодаря таким необычным характеристикам, излучение эксимерных лазеров находит применение во многих областях и приложениях. Они используются в клиниках при проведении операций (на радужной оболочке глаза и других), где необходимо выжигание тканей. На основе этих лазеров созданы микрофотолитографические установки для тонкого травления материалов при создании электронных печатных плат. Широкое применение нашли эксимерные лазеры в экспериментальных научных исследованиях.

Однако, все эти замечательные характеристики эксимерных лазеров влекут за собой некоторые трудности при их изготовлении и создании установок на их основе. Например, при столь высокой мощности излучения необходимо препятствовать образованию дуги в активной газовой смеси. Для этого необходимо усложнить механизм накачки с целью сокращения длительности ее импульса. Коротковолновое излучение эксимерных лазеров требует использования специальных материалов и покрытий в конструкциях резонаторов, а также в оптических системах для преобразования их излучения. Поэтому одним из недостатков источников этого вида является высокая, по сравнению с другими видами лазеров, стоимость.

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO, CO₂ или N₂, генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно-вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул. Существуют вещества, которые в основном состоянии не могут образовывать молекулы (их частицы в невозбужденном состоянии существуют лишь в мономерной форме). Это происходит, если основное состояние вещества соответствует взаимному отталкиванию атомов, является слабосвязанным, либо связанным, но при наличии больших межъядерных расстояниях (рис.1).

Рисунок 1: а - резко отталкивательная кривая; б - плоская кривая; в - кривая связанного состояния на больших межъядерных расстояниях

Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: образованные частицами одного и того же вещества и частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать "эксимеры" (excimer, excited dimer - возбужденный димер) и "эксиплексы" (exciplex, excited complex - возбужденный комплекс).

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 2, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы А₂.

Рисунок 2. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А₂* может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) - связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;

Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным.

Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.

Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов - квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Таблица 1

Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов - смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов - их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0,1 - 1 МПа.

1.1.1 Лазеры на галогенидах инертных газов

Рассмотрим наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена, что приводит к образованию эксиплекса галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров можно указать ArF (λ = 193 нм), KrF (λ = 248 нм), XeCl (λ = 309 нм), XeF (λ = 351 нм), которые генерируют все в УФ диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится ясным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер: в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда.

В лазерах на галогенидах инертных газов существенное влияние на состояние плазмы оказывают процессы фотопоглощения. К ним относится фотодиссоциация исходного галогена, из которого образуется галогенид инертного газа F₂ + hν → 2F; фотораспад образованного в плазме отрицательного иона F ^- + hν → F + e^-; фотоионизация возбужденных атомов и молекул инертного газа Ar^* + hν → Ar⁺ + e^-; фотодиссоциация димеров ионов инертного газа Ar₂⁺ + hν → Ar⁺ + Ar. А также поглощение самими молекулами галогенидов инертных газов.

Фотопоглощение в активной среде лазеров на галогенидах инертных газов можно разделить на линейчатое и широкополосное. Линейчатое поглощение возникает на связанно-связанных переходах, присутствующих в лазерной смеси примесей атомарных и молекулярных газов, а также свободных атомов и радикалов, образующихся под действием разряда либо при разложении примесных молекул, либо за счет эрозии электронов. Показано, что линейчатое поглощение в некоторых случаях может довольно существенно искажать спектр генерации, однако, как правило, не приводит к заметному снижению ее энергии. Широкополосное поглощение обусловлено, главным образом, связанно-свободными переходами, происходящими в процессах типа фотодиссоциации, фотоотлипания и фотоионизации.

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом.

Эффективная накачка эксимерных лазеров, т.е. создание разряда оптимального с точки зрения вклада энергии в активную среду, еще не гарантирует получения высоких генерационных характеристик лазера. Не менее важно организовать извлечение из активной среды запасенной в ней световой энергии.

Это приобретает особое значение для лазеров на галогенидах инертных газов, так как их существенным отличием от большинства типов газовых лазеров оказывается наличие ненасыщающегося (линейного) фотопоглощения в активной среде. Потери на фотопоглощение, даже при отсутствии данных по измеренному поглощению слабого сигнала , могут быть оценены следующим образом.

При измеренных для данного эксимерного лазера коэффициенте усиления слабого сигнала и интенсивности насыщения рабочего перехода предельная, в пренебрежении всеми потерями, интенсивность, снимаемая с единицы апертуры активной среды, составит . Сравнение с экспериментально измеряемой интенсивностью на выходе позволяет оценить долю энергии, теряемую на фотопоглощение. Такое сравнение правомерно при невысоких сосредоточенных потерях, т.е. потерях на оптических окнах и зеркалах, что обычно имеет место.

1.1.2 Лазеры на окислах инертных газов

Лазеры на окислах инертных газов могут быть использованы при необходимости получения импульсов с длительностью порядка наносекунды и меньше и энергией несколько килоджоулей. Это связано с тем, что сечение вынужденного излучения генерирующего перехода в таких системах удовлетворяет необходимым требованиям. С одной стороны оно должно быть достаточно малым, чтобы паразитные потери не истощали инверсию населенностей, и в то же время для эффективного извлечения запасенной энергии это сечение должно быть достаточно большим, чтобы насыщение происходило при величинах потока, не достигающих порога разрушения оптических материалов. Учитывая все эти требования, можно заключить, что сечение вынужденного излучения должно быть около см².