Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В этих состояниях молекула имеет сильную ионную связь, так как возбужденный атом инертного газа подобен атому гцелочи. Поэтому связь галогенидов инертного газа идентична таковой у галогенидов щелочи, например, 15)аС1. Положительный ион инертного газа В' соединяется с отрицательным ионом галогена Х . Возможны также молекулы со слабой ковалентной связью (на рис. 7.3а они показаны пунктирной линией), состоящие, например, из одного возбужденного атома инертного газа В* и одного атома галогена в основном состоянии.
Эксимеры образуются в газовых разрядах преимущественно в результате столкновений возбужденных Кг-атомов (Кг*) с Г,: 2 (7.1) Кг' + à — з КгГ*. (7.2) Здесь в качестве примера был выбран КгГ*, но реакции для других галогенидов инертного газа аналогичны. При приближении Кг* к Г, первый отдает один из своих внешних электронов атому Г,, так что образуются Г, и Кг" При притяжении обоих ионов атом Г выталкивается из Г „а Кг' и Г образуют КгГ'. Наряду с этим начинается процесс рекомбинации ионов, образующихся в газовом разряде. Для сохранения импульса в ходе этого процесса требуется еше третий участник реакции, отсутствующий в уравнении реакции (7.2): Упрощенная схема уровней для КгР*-лазера показана на рис.
7.3б. Лазерное излучение генерируется из связанного возбужденного состояния 'г. (рис. 7.3). Молекула в основном состоянии быстро диссоциирует, например, в течение 1 пс, в два своих атома, в результате чего населенность нижнего лазерного уровня остается практически нулевой. Это идеальный режим генерации лазера. Для сравнения напомним, что время жизни на верхних лазерных уровнях составляет, например, 7 нс для Кгув и 16 нс для ХеГв. Рис. 7.4 приводит в качестве типичного примера спектра галогенидов инертного газа спонтанное излучение КгР*, образующееся в разряде. Две зоны в УФ-спектре обусловлены 'Х вЂ” а 'Х и 'П вЂ” + 'П-переходами. Еше одна полоса около 400 нм относится к трехатомному эксимеру Кг,Г*. и о в ы в в в г о гзо гво ва зоо зво аоо азо зоо Длина волны, нм рие. 7.4. Спектр излучения экеимера КгГ* Вообще, генерация излучения у лазеров в УФ-диапазоне достигается тяжелее, чем при длинных волнах в И К-диапазоне.
Это можно объяснить тем, что коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения и соответствующее эффективное поперечное сечение примерно обратно пропорциональны третьей степени частоты. К тому же нижний лазерный уровень лишь слабо связан или не связан совсем. Переходы в эти состояния обладают широким спектром частоты. По этой причине эффективное поперечное сечение для вынужденного излучения относительно невелико. Атомные и молекулярные переходы имеют эффективные поперечные сечения о = 1О "— 1О "см', в то время как для лазера на эксимере действительно значение 1О ' см'.
Малое эффективное поперечное сечение для вынужденного излучения требует при генерации лазерного излучения очень мокиной накачки. В связи с этим до сих пор не удается генерировать непрерывное излучение с помощью лазеров на эксимере. При требуемых больших токах разряда спустя короткое время обнаруживаются нестабильности разряда и возникают иные проблемы. Конструктивное исполнение В случае коммерческих лазеров осуществляется возбуждение в разряде высокого напряжения, проходящего — из-за большого давления газа — поперек лазерного пучка. Данная конструкция практически идентична таковой у азотного лазера и лазера атмосферногодавления с поперечной накачкой (рис.
7 2). Для достижения усиления приходится прибегать к плотности электрической мощности, равной нескольким МВту! в объеме газа. Получить подобные мощности можно только в импульсном режиме. Реакция образования (7.1) имеет для практического применения большее значение, чем реакция (7.2). Для осуществления обратной реакции фтор-радикала Р газ обменивается между двумя импульсами.
Для этого требуются скорости течения в несколько десятков м/с, чтобы при ширине пучка лазера от 5 мм получить частоту повторения порядка 1 кГц. Давление газа составляет примерно от 1 до 4 бар. Газовая смесь содержит 5 — 1О % активного инертного газа, 0,1 — 0,5 % галогена (например, Е,) и буферный газ (Не или Хе). В качестве примера можно назвать смесь газов для ХеС1-лазера: 4 — 5 мбар НС1, 80 мбар Хе, 2,4 бар Не в качестве буферного газа. Для получения однородного разряда необходима предыонизация с плотностью электронов = 10' см' Это обеспечивается, например, посредством УФ-излучения (100 — 200 нм) из дополнительного искрового или коронного разряда либо с помощью рентгеновского излучения.
При высоком давлении газа однородный разряд спустя несколько десятков наносекунд распадается на статистические разрядные каналы. Поэтому импульсы напряжения около 50 кВ ограничиваются длительностью 10 — 30 нс. При большой скорости накачки удается добиться высокого усиления я = (0,1 — 0,2) см ', и энергия импульсов лазерного излучения достигает 4 Дж на литр газа — точно, как у СО,-лазера.
Плотность населенности верхнего лазерного уровня составляет примерно (10 и — 10 и) ем '. Коэффициент полезного действия подобного лазера на эксимере равняется 1 — 2 %. По причине перехода из связанного состояния в свободное состояние ширина спектральной полосы лазерного излучения довольно велика — от 1 до 2 нм. Малая длительность импульсов приводит к большому числу оптических проходов в резонаторе.
При этом нет никакой конкуренции между разными продольными модами, то есть они проявляются независимо друг от друга в зоне ширины полосы усиления — с образованием мод от 1О' до 1О'. Длина когерентности поэтому довольно мала — около 0,1 мм. Профиль пучка (см. рис. 7.2) часто прямоугольный, обычно 1 см х 2 см. Качество пучка не очень хорошее, но может быть улучшено за счет нестабильных резонаторов. С учетом высокого усиления требования к зеркалам не слишком строги. Для выхода можно использовать стекло без покрытия, с 4-процентным отражением на любой поверхности. Кварцевое стекло относится к стандартным материалам в ультрафиолетовой области спектра. Прозрачность кварцевого стекла рассчитана на более коротковолновую область. Кроме того, фтористо-водородная кислота НР образующаяся в разрядах, способна вызвать коррозию.
В силу этих причин в качестве материала для окон в коммерческих лазерах на эксимере используют обычно М8Р, или СаГг Из-за сильных коррозионных свойств лазерного газа зеркальные покрытия и противоотражающие слои частично наносятся только на наружную поверхность окон трубки.
Такая практика позволяет, кроме прочего, через определенные периоды эксплуатации производить очистку внутренних сторон с применением полировальных паст или т. п. Большинство коммерческих лазеров на эксимере снабжены вакуумным насосом для осуществления необходимого газообмена. Откаченные газы токсичны и (\34 ~ 7. М у р УФ- р не подлежат выбросу в атмосферу. Предельное число импульсов до необходимого нового заполнения приведено в таблице 7.2. Как правило, лазерная головка может эксплуатироваться поочередно с разными смесями газов, что позволяет генерировать лазерное излучение в разных областях УФ-спектра. Во время работы лазер подлежит непрерывной очистке, так как химически агрессивные галогены образуют с другими веществами молекулы, загрязняюшие лазерный газ.
Например, фтор образует СГ4 и фреоны, которые можно удалять посредством так называемой «холодильной ловушки». Далее, в импульсном разряде образуются аэрозоли, способные ухудшить качество пучка в результате рассеяния и повредить лазерные зеркала. Аэрозоли обычно удаляются с помошью фильтров, что позволило разрабатывать лазеры в герметичном корпусе.
Агрессивность галогенов, особенно в плазменном состоянии, а также высокая интенсивность УФ-излучения приводят к серьезным проблемам с используемыми материалами. Поэтому пассивные компоненты изготовляют из керамики, а электроды — из никеля или латуни, достаточно стойких к таким галогенам, как фтор и хлор. табхваа 7.2. Типовые характеристики коммерческих лазеров на эксимере Свойства важнейших коммерческих лазеров на эксимере приведены в таблице 7.2. Речь идет об источниках УФ-излучения самой высокой интенсивности, имеющих наибольшее распространение.
Одной из самых широких областей применения является накачка лазеров на красителях для спектроскопических исследований. Другие области применения относятся к сферам фотохимии, обработки материалов и медицины — в частности, для отслойки тканей. В промышленной отрасли производства полупроводников они все чаще используются в качестве источников света для фотолитографии, постепенно вытесняя популярные ранее ртутные лампы. Самую короткую длину волны (! 57 нм) из указанных в таблице 7.2 создает Р,-лазер, во многом похожий на описанные лазеры на эксимере. Такие лазеры функционируют с наполнением 99,85 % Не и 0,15 % Гг Требуемая плотность мошности в объеме газа примерно в 10 раз больше, чем у лазеров на эксимере. Это объясняется высокой энергией ионнзацни Не и Рв Импульсы с особенно большой энергией создают лазеры на эксимере с накачкой электронными лучами (рис.
7.5). Вследствие высокого напряжения в вакууме электроны доводятся почти до скорости света. Токи составляют несколько 1О 000 А с плотностью до 500 А/см', напряжение может достигать многих сотен кВ. Столь высокие мошности возможны только в импульсном режиме. Длительность импульсов составляет от 50 до 1000 нс. Серьезную проблему представляет доставка электронов из ускорительной камеры с созданным в ней вакуумом в резонатор с лазерным газом. Разделение обеих зон осуществляется с применением пленки толщиной 30 мкм.
Выходная энергия такого лазера на эксимере может составлять несколько сотен джоулей. 1::-::З Зеркало Газ 1вькокого давления) Като Пленочное «окно> Высокое напряжени Электронны луч Вак Оптическое окно Рис. 73Х Лазер на экснмере с электронной накачкой Частотная селекция для литографскихлазеров Лазеры на эксимере все чаще находят применение в экспонирующих машинах для фотолитографии полупроводниковых структур при изготовлении интегральных схем, микропроцессоров и чипов памяти. В настоящее время популярны Кгг-лазеры с длиной волны 248 нм и Агг-лазеры с длиной волны 193 нм. Проблемой остается пока довольно большая ширина линий = 1 нм. При использовании линзовых оптических систем для формирования изображения эти достаточно широкие полосы излучения из-за хроматической аберрации могут привести к неопределенным структурам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
