151120 (Эксимерные лазеры), страница 3

Что касается перспектив дальнейшего совершенствования эксимерных лазеров с электронным возбуждением, то можно отметить следующее. Для рассматриваемого типа лазеров наиболее перспективной с точки зрения эффективности представляется квазимолекула KrF^*. Теоретический КПД лазера на основе этой активной среды (по отношению к энергии, вложенной в активную среду) составляет 22%, а при возбуждении электрическим разрядом и пучком 35%. Во всех экспериментальных установках, на которых была получена генерация, параметры были неоптимальными, в связи с чем полный КПД таких лазеров не превышал 1 - 2%. Поэтом вопрос с реально достижимых КПД остается открытым и требует дальнейших исследований; энергосъем этих лазеров предполагается увеличить до 40 - 50 Дж/л.

1.2.2 Накачка электрическим разрядом

При использовании электроразрядного способа накачки эксимерных лазеров необходимо обеспечить предионизацию активной среды.

Предионизация используется для предотвращения дугового разряда и обычно достигается излучающими в УФ диапазоне искровыми разрядами, пробегающими параллельно оси трубки. Поскольку глубина проникновения УФ излучения в газовую смесь ограничена, для больших установок иногда применяют предионизацию рентгеновским излучением.

Рисунок 8. Накачка электрическим разрядом.

К другим методам предионизации относятся использование импульсных источников электронного пучка (предионизация электронным пучком) и ионизация благодаря коронному эффекту (коронная предионизация). Как только произошла ионизация во всем объеме лазерного разряда, закорачивается быстродействующий вентиль и через электроды разряда проскакивает главный разрядный импульс. Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длительность импульса накачки 10 - 20 нс). В случае, представленном на рисунке 1, это достигается тем, что уменьшают по возможности индуктивность контура и используют безындукционные конденсаторы.

Эффект предионизации тлеющим разрядом помогает получить равномерные и согласованные профили разрядов с минимумом ответвлений от основного разряда. Параметры, влияющие на предионизацию, такие как порог предионизации, начальная плотность электронов и согласованность предионизации, сильно зависят от составляющих резонатора: профиль электрода, тип электрода, давление в газовой среде, длительность предионизации, потери электронов при предионизации, временная задержка между предионизацией и основным разрядом, время нарастания основного импульса; а так же от основных геометрических параметров резонатора.

Два наиболее распространенных метода предионизации:

для эксимерных лазеров малых и средних размеров - предионизация электродами, расположенными вблизи от главных электродов;

для больших систем - предионизация рентгеновскими источниками.

Рисунок 9. Сектор кюветы, отвечающий за предионизацию газа.

Предионизационные электроды, показанные на рисунке 7, генерируют искровой разряд приблизительно за 10 нс до основного разряда. Искры инициируют УФ излучение, достаточное для предионизации рабочего газа с начальной плотностью около 10⁸ электронов/см³ между электродами. В последних моделях коммерческих эксимерных лазеров были введены новые методы предионизации, например, Поверхностный разряд в диэлектрике - Creeping Discharge on Dielectric Surface (CDDS-preionizer for XeCl-lasers) или Поверхностная коронная предионизация - Surface Corona Preionization (SCP). Особенно в качестве источника предионизации зарекомендовал себя метод SCP, позволяющий создавать уровни с одинаковой плотностью электронов с гораздо большей равномерностью, достигаемой значительным снижением полной энергии.

1.2.2.1 Разрядные цепи

Пороговые значения инверсной населенности в эксимерных лазерах обычно высокие в связи с короткой длиной волны и значительной шириной линии основных переходов. Типичное значение концентрации активных носителей заряда на верхнем рабочем уровне составляет 10¹⁴ - 10¹⁵ см³. Такие концентрации могут быть получены только при очень высокой плотности энергии накачки (10^-2 Дж/см³). Для этого необходимы специальные электроразрядные цепи. Обычно они состоят из емкостей и индуктивностей и в их состав входят специальные высоковольтные ключи.

Рисунок 10. Разрядная цепь эксимерного лазера с тиратроном

В современных эксимерных лазерах высоковольтные ключи заменили тиратроны. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов приведены на рисунке 11.

Рисунок 11. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов

Колба тиратрона заполнена H₂. Давление водорода в колбе определяет запирающее напряжение. В режиме отсутствия проводимости решетка, расположенная между электродами, смещается в отрицательном направлении для удержания свободных электронов, смещаемых при нагреве ближе к катоду. При подаче положительного импульса электроны начинают проходить через решетку, и тиратрон переходит в режим проводимости.

Дополнительные решетки в усовершенствованной модели тиратрона позволяют получить более высокое запирающее напряжение, более надежное включение и более равномерный разряд.

Часто для снижения нагрузки на тиратроне в цепь вводят магнитный ключ (рис.12).

Рисунок 12. Цепь с магнитным переключателем.

Еще одно решение при проектировании разрядных цепей заключается в использовании твердотельных полупроводниковых ключей. Последние разработки в этой области нацелены на адаптацию твердотельных ключей к работе с высокими напряжениями.

1.2.2.2 Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом

Более простым в технической реализации является электроразрядный способ накачки эксимерных лазеров. В этом случае для получения возбужденных квазимолекул применяется быстрый поперечный разряд. Такой термин применим потому, что длительность импульса возбуждения выбирается меньше времени установления стримерного разряда и накачка активной среды аналогична накачке пучком электронов, но вводимым в рабочий объем не извне, а образующимся в нем самом. При электроразрядном способе накачки объем активной области не превышает десятых долей литра, так как разряд с большой плотностью тока при сохранении высокой электронной температуры тока реализовать в больших объемах не удается.

В качестве генераторов импульсов накачки в рассматриваемых лазерах используются формирующие линии, заряжаемые до напряжения в несколько десятков кВ и разряжающиеся через активную лазерную среду за времена от нескольких единиц до нескольких десятков нс.

В некоторых конструкциях предусматривается введение дополнительного третьего электрода, устанавливаемого вблизи от анода. Возникающий в этом случае между третьим электродом и анодом микроразряд играет роль предионизатора основного электронного разряда.

Преимуществом такой схемы накачки является простота конструкции по сравнению со схемами электронного возбуждения, поскольку в данном случае отпадает необходимость в дополнительной электронной пушке (электронном ускорителе) и разделительной фольги со всеми вытекающими из-за ее применения трудностями. Кроме того, в подобных лазерах можно получить значительно более высокие частоты следования (до 1000 Гц), чем в схемах с электронным возбуждением. За рубежом в экспериментальных образцах на основе KrF^* получены импульсы излучения с энергией до 1,75 Дж с КПД около 0,3% при длительности импульса 20 нс в рабочем объеме 0,1 л, а на основе XeF^* - импульсы с энергией 17 мДж при КПД 1% и длительности 3 нс. При этом удельный энергосъем достигает 5 - 6 Дж/л. Предполагается, что дальнейшее совершенствование лазерного модуля с активным объемом 0,1 л позволит работать на частотах следования до 1000 Гц со средней мощностью излучения до 10 Вт при КПД, равном нескольким процентам. Кроме того, полагается, что более детальные исследования позволят увеличить удельную энергию в несколько раз, более совершенные конструкции будут рассчитаны на большие активные рабочие объемы, что позволит создать эксимерные электроразрядные лазеры со средней мощностью излучения в сто или несколько сотен Вт. Уже сейчас на отдельных образцах удается получить среднюю мощность излучения 200 Вт.

2.2.3 Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

Перспективным способом накачки эксимерных лазеров является также комбинированный способ - электрическим разрядом и электронным пучком, используемым для предионизации.

При накачке активной среды электрическим разрядом с предионизацией последнего электронным пучком требуется два источника накачки - электронный ускоритель и источник импульсного высоковольтного напряжения. Но большая доля энергии накачки в этом случае приходится на электрический разряд, что позволяет использовать для предионизации относительно маломощные электронные ускорители.

Комбинированный способ накачки позволяет сохранить преимущества возбуждения электронным пучком и создать потенциальные возможности для повышения эффективности лазера за счет более полного использования энергии электрического разряда. Предполагается, что оптимизация параметров блока электрической накачки и увеличение длительности импульсов пучка электров позволит существенно увеличить энергию излучения и КПД лазера. Возможность существенного увеличения активного объема лазера с таким методом накачки до нескольких кубических метров позволяет надеяться на получение средней мощности излучения выше 1 кВт при работе в частотном режиме.

Что касается работы в режиме редко повторяющихся вспышек, то в настоящее время получен удельный энергосъем, достигающий 5 Дж/л. Ожидается, что при оптимизации параметров лазера это значение будет увеличено в несколько раз.

Рисунок 13. Лазер с разрядом, стабилизированным электронным пучком

Учитывая опыт разработки СО₂ - лазеров, можно полагать, что активный объем рабочей лазерной камеры будет увеличен до 100 л.

Поэтому вполне реальным представляется создание эксимерных лазеров с энергией излучения в импульсе порядка 1 кДж и более.

1.2.2.4 Накачка двойным электрическим разрядом

Возбуждение двойным электрическим разрядом также является довольно перспективным методом для эксимерных лазеров. В этом случае первый импульс выполняет роль предионизатора активной лазерной среды, а второй - рабочего. Интервал между этими импульсами выбирается меньше постоянной времени релаксации предварительно ионизированных частиц, что существенно облегчает условия для возникновения основного электрического разряда и позволяет повысить КПД системы.

Наилучшие результаты в настоящее время получены на квазимолекулах хлорида ксенона. При длине резонатора 100 см и импульсном рабочем напряжении 40 - 50 кВ получена средняя мощность излучения 1 Вт при частоте следования импульсов 100 Гц. Полный КПД лазера составляет 0,1% при работе в частотном режиме и 0,5% при работе в режиме одиночных импульсов. Импульсная мощность излучен6ия в рассматриваемом случае составляет несколько сотен киловатт при длительности импульса 1 - 20 нс. Состав рабочей смеси меняется от импульса к импульсу, что приводит к необходимости его смены в промежутках между последующими импульсами.

Сравнительные характеристики различных типов эксимерных лазеров показаны в таблице 2.

Таблица 2

Наилучшие результаты при возбуждении электронным пучком получены на молекулах KrF^* и ArF^*, при возбуждении электрическим разрядом с предионизацией и при быстром поперечном электрическом разряде - на молекулах XeF^*, а при возбуждении двойным электрическим разрядом - на молекулах XeCl^*.

1.3 Параметры выходного излучения

Сильное влияние на параметры выходного излучения лазера оказывает резонатор. В качестве резонаторов в эксимерных лазерах используются неустойчивые системы. Это обусловлено следующими факторами. Основным преимуществом неустойчивых резонаторов является возможность высокоэффективной селекции поперечных мод при больших числах Френеля, что практически соответствует большому поперечному сечению активной среды, обеспечивающей большую выходную мощность. В неустойчивых резонаторах распределение поля поперечных мод таково, что потери высших поперечных мод на излучение существенно превышают потери основной моды, что обеспечивает высокоэффективную селекцию. Поэтому в лазерах с неустойчивыми резонаторами обычно генерируется только низший поперечный тип колебаний. Существенно, что в отличие от высокодобротных резонаторов распределение поля основной моды в неустойчивых резонаторах практически не имеет спада по мере удаления от оси. Это доказывает, что все участки поперечного сечения активной среды зондируются полем достаточно высокоэффективно, что, в свою очередь, обеспечивает высокий КПД.

Но стоит отметить, что, несмотря на вышеперечисленные достоинства неустойчивых резонаторов, потери на излучение в них очень велики, что позволяет их использовать на практике лишь в мощных лазерах, каковыми и являются рассматриваемые в данной работе эксимерные лазеры.

Еще одним преимуществом неустойчивых резонаторов (например, по сравнению с плоским резонатором) является сужение пучка вблизи точки схода лучей, что позволяет использовать дополнительные оптические элементы с небольшим поперечным сечением внутри резонатора. Но, если сужение пучка проявляется в полной мере, то возможно возникновение пробоя или повреждение оптических элементов.