Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому.
Полнотекстовый поиск
Всего работ:
364141
Теги названий
Разделы
Авиация и космонавтика (304)
Административное право (123)
Арбитражный процесс (23)
Архитектура (113)
Астрология (4)
Астрономия (4814)
Банковское дело (5227)
Безопасность жизнедеятельности (2616)
Биографии (3423)
Биология (4214)
Биология и химия (1518)
Биржевое дело (68)
Ботаника и сельское хоз-во (2836)
Бухгалтерский учет и аудит (8269)
Валютные отношения (50)
Ветеринария (50)
Военная кафедра (762)
ГДЗ (2)
География (5275)
Геодезия (30)
Геология (1222)
Геополитика (43)
Государство и право (20403)
Гражданское право и процесс (465)
Делопроизводство (19)
Деньги и кредит (108)
ЕГЭ (173)
Естествознание (96)
Журналистика (899)
ЗНО (54)
Зоология (34)
Издательское дело и полиграфия (476)
Инвестиции (106)
Иностранный язык (62791)
Информатика (3562)
Информатика, программирование (6444)
Исторические личности (2165)
История (21320)
История техники (766)
Кибернетика (64)
Коммуникации и связь (3145)
Компьютерные науки (60)
Косметология (17)
Краеведение и этнография (588)
Краткое содержание произведений (1000)
Криминалистика (106)
Криминология (48)
Криптология (3)
Кулинария (1167)
Культура и искусство (8485)
Культурология (537)
Литература : зарубежная (2044)
Литература и русский язык (11657)
Логика (532)
Логистика (21)
Маркетинг (7985)
Математика (3721)
Медицина, здоровье (10549)
Медицинские науки (88)
Международное публичное право (58)
Международное частное право (36)
Международные отношения (2257)
Менеджмент (12491)
Металлургия (91)
Москвоведение (797)
Музыка (1338)
Муниципальное право (24)
Налоги, налогообложение (214)
Наука и техника (1141)
Начертательная геометрия (3)
Оккультизм и уфология (8)
Остальные рефераты (21692)
Педагогика (7850)
Политология (3801)
Право (682)
Право, юриспруденция (2881)
Предпринимательство (475)
Прикладные науки (1)
Промышленность, производство (7100)
Психология (8693)
психология, педагогика (4121)
Радиоэлектроника (443)
Реклама (952)
Религия и мифология (2967)
Риторика (23)
Сексология (748)
Социология (4876)
Статистика (95)
Страхование (107)
Строительные науки (7)
Строительство (2004)
Схемотехника (15)
Таможенная система (663)
Теория государства и права (240)
Теория организации (39)
Теплотехника (25)
Технология (624)
Товароведение (16)
Транспорт (2652)
Трудовое право (136)
Туризм (90)
Уголовное право и процесс (406)
Управление (95)
Управленческие науки (24)
Физика (3462)
Физкультура и спорт (4482)
Философия (7216)
Финансовые науки (4592)
Финансы (5386)
Фотография (3)
Химия (2244)
Хозяйственное право (23)
Цифровые устройства (29)
Экологическое право (35)
Экология (4517)
Экономика (20644)
Экономико-математическое моделирование (666)
Экономическая география (119)
Экономическая теория (2573)
Этика (889)
Юриспруденция (288)
Языковедение (148)
Языкознание, филология (1140)

Реферат: «Системы возбуждения эксимерных лазеров»

Название: «Системы возбуждения эксимерных лазеров»
Раздел: Остальные рефераты
Тип: реферат Добавлен 20:20:28 30 декабря 2011 Похожие работы
Просмотров: 28 Комментариев: 0 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

Кафедра лазерной физики и спектроскопии

Системы возбуждения эксимерных лазеров

курсовая работа

студента 4курса физико-

технического факультета

Саковича Д. А.

Научный руководитель:

преподаватель кафедры

лазерной физики и

спектроскопии

Володенков А.П.

Гродно 2004

РЕФЕРАТ

Реферат курсовой работы « Системы возбуждения эксимерных лазеров» студента физико-технического факультета УО Гродненский государственный университет имени Янки Купалы Саковича Д.А.

Объем 14 с., 1 рис., 1 табл., 7 источников.

Ключевые слова:

Эксимерный лазер,LC-контур, LC-инвертор, накачка.

Объект исследования –эксимерные лазеры.

Цель работы – сделать обзор литературы по системам возбуждения эксимерных лазеров.

Сделан обзор литературы по системам возбуждения эксимерных лазеров.

Полученные данные предпполагается использовать для совершенствования лазеров.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Условия возбуждения широкоапертурного ХеС1-лазера со средней мощностью излучения 1 кВт

2. Эффективная предыонизация в ХеС1-лазерах

3. Возбуждение эсимерного KrF-лазера оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения

Заключение Список использованных источников

1. Условия возбуждения широкоапертурного ХеС1-лазера со средней мощностью излучения 1 кВт.

Для ряда перспективных применений эксимерных лазеров требуются как высокая средняя мощность, так и значительная энергия в импульсе. В частности, созда­ние ХеС1-лазера мощностью 1 кВт является одной из задач Европейской программы EUREKA. В рамках этой программы немецкой фирмой Лямбда Физик был создан XeCl-лазер со средней мощ­ностью излучения ~750 Вт при энергии в импульсе ~ 1.5 Дж. Система питания лазера включала в себя LC - инвертор и звено магнитного сжатия. Недавно был сделан XeCl-лазер, в котором средняя мощность 1 кВт была достигнута при энергии в импульсе 10 Дж. Позже такой же уровень средней мощности был получен в ХеС1-лазере, созданном французской компанией Сопра при практически аналогичных параметрах лазерного излу­чения (энергия в импульсе 10 Дж при частоте повторения ~ 100 Гц).

Ранее накачка лазера осуществлялась с по­мощью LC-инвертора, но без цепи магнитного сжатия. В коммутатором LC-инвертора служили 6 тиратронов, работающих параллельно. Высокие (свыше 10 Дж) энергии в схеме с классическим LC-инвертором можно получить лишь при увеличении как давления, так и зарядных напряжений LC-инвертора. Однако повышать давление в газодинамическом контуре лазера крайне невыгодно из-за резко возрастающих требований к прочностным характеристикам лазера и системе прокачки газа. Ис­пользовать слишком высокие напряжения (свыше 30 кВ) также невыгодно, поскольку в этом случае необходимо применять дорогие и не отличающиеся высокой надеж­ностью высоковольтные коммутаторы.

В этом пункте определены условия накачки мощного XeCl-лазера, при которых высокая энергия (~ 10 Дж) при частоте следования ~ 100 Гц, может быть достигнута при умеренных давлениях (до 5 атм.) и за­рядных напряжениях (~ 30 кВ).

Модернизированная система накачки лазера содер­жала два параллельно соединенных генератора импульс­ных напряжений, состоящих из двух последовательно соединенных LC-инверторов. Такая система накачки позволяет получать импульсное напряжение с амплиту­дой 100 кВ при зарядных напряжениях лишь 25 кВ и использовать для коммутации импульсов с частотой повторения ~ 100 Гц недорогие, надежно работающие тиратроны. Система также включает в себя звено сжатия импульса на основе магнитного ключа и импульсно заряжаемые конденсаторы, подключенные к электро­дам лазера с минимальной индуктивностью L к 25 нГн. Суммарная емкость конденсаторов равна суммарной емкости генератора импульсных напряжений «в ударе» и составляет 100 нФ. Магнитный ключ выполнен в виде насыщаемого малоиндуктивного цилиндрического одновиткового дросселя с сечением сердечника ПО см2 , изготовленного на основе ленты шириной 20 мкм из металлоаморфного сплава 2НСР с индукцией насыщения Bs = 1.4Тл.

Поскольку при длительной работе эксимерного ла­зера в импульсно-периодическом режиме энергия гене­рации снижается из-за выработки НС1, неизменная сред­няя мощность эксимерного лазера обычно поддержи­вается за счет повышения зарядного напряжения U схе­мы накачки. Затем, при достижении максимально допу­стимого значения uq , производится регенерация газовой смеси и долговременный цикл работы повторяется. Таким образом, для поддержания средней мощности излучения лазера неизменной необходимо иметь запас по энергии генерации лазера при максимально допусти­мом £0 . В связи с этим был предпринят поиск условий, обеспечивающих получение энергии генерации свыше 10 Дж в широком диапазоне зарядных напряжений, не пре­вышающих 30 кВ и соответствующих надежному долго­временному режиму работы тиратронов.

На рис.1 представлены зависимости разрядного напряжения С/2 (кривые 1, 2) и амплитуды напряжения С/1 (кривая 3) на выходе генераторов импульсного напря­жения от С/о. Прямая 6 показывает величину 4 С/о, которая соответствует максимально возможным значениям C/i и С/2. Кривыми 4 и 5 обозначены зависимости коэффи­циента k передачи запасенной в генераторах импульс­ного напряжения энергии в импульсно заряжаемую емкость С. На рис.1 видно, что с ростом С/о амплитуда генератора U сохраняет максимально возможное значе­ние 4С/о вплоть до С/о ~ 23.5 кВ. Однако при этом ампли­туды С/2 напряжения на разряде существенно отличаются от максимально возможного значения 4С/о (кривые 1, 2). Для d = 8 см это обуславливает достаточно малый коэф­фициент передачи энергии k = 0.56 (кривая 4), которому соответствует энергия генерации Е = 5.3 Дж и КПД ц = 1.3% (рис.4, кривые 2). Увеличение d до 9 см приводит к возрастанию амплитуды разрядного напряжения (кривые 1, 2) и повышению коэффициента передачи энергии до k = 0.7 (кривая 5), что влечет за собой рост энергии генерации до 7.5 Дж и КПД до 1.65% (рис.4, кривые 3).

Экстраполяция полученных результатов показывает, что если дальше увеличивать межэлектродное расстоя­ние лазера d до 10.6 см, то энергия генерации Е « 10 Дж может быть получена с ц = 2.2% и k = 0.9 при зарядном напряжении всего лишь 23.5 кВ, что существенно расши­ряет возможности поддержания киловаттного уровня мощности излучения при длительной работе лазера.

k

Рис.1. Зависимости амплитуд напряжения на разрядном промежутке лазера (1, 2) и генератора импульсных напряжений (3), а также коэффициента передачи энергии генератора в импульсно заряжае­мую емкость С (4, 5) от зарядного напряжения для d = 8 (1, 4) и 9 см (2,5);б-4£/0 . сокращается с 240 до 190 не. Таким образом, энергия генерации существенно повышается при увеличении ско­рости перекачки энергии в импульсно заряжаемую ем­кость С. Однако поскольку время полной перекачки энергии из генераторов импульсного напряжения в ем­кость С фиксировано и равно 300 не, это сопровождается уменьшением k (кривая 5, рис.5) и соответственно ц (кривая 3, рис.4,6).

Требуемого для увеличения энергии генерации значи­тельного повышения С/о, сопровождаемого снижением КПД, можно избежать при дополнительном сжатии импульса накачки. Анализ полученных результатов по­казывает, что введение дополнительного звена сжатия на основе магнитного ключа позволит получить при d = 10.6 см энергию генерации Е = 14 Дж с ц « 2.3% при С/о = 27.5 кВ. Это является одной из задач про­граммы реализации долговременной устойчивой работы XeCl-лазера со средней мощностью излучения 1 кВт.

Таким образом, нами исследованы характеристики широкоапертурного XeCl-лазера киловаттного уровня средней мощности (10 Дж, 100 Гц) с модернизированной системой питания в виде последовательно соединенных LC-инверторов и магнитного звена сжатия импульса, отличающейся пониженными зарядными напряжениями (С/о < 30 кВ). На основе анализа условий возбуждения активной среды лазера рассмотрена возможность реали­зации режима с выходной мощностью 1 кВт, обеспечи­вающего поддержание неизменного уровня мощности лазера при долговременной работе.

2. Эффективная предионизация в ХеС1-лазерах.

Предыонизация в ТЕА-лазерах является ключевым фактором, определяющим такие характеристики, как энергия генерации, ее стабильность от импульса к им­пульсу, время жизни газовой смеси. Использованная еще в первых моделях TEA CO-лазеров и эксимерных лазе­ров предыонизация газа УФ излучением от рядов искр, расположенных по обеим сторонам разрядного объема, остается в настоящее время широко распространенной для лазеров с малой апертурой. Так, в коммерческих эк­симерных лазерах, выпускаемых фирмой «Лямбда-Фи­зик», для апертур разряда порядка 1 см2 при оптимально малом энерговкладе искровая УФ предыонизация обес­печивает относительную нестабильность энергии им­пульсов генерации менее 1 % при времени жизни газовой смеси 20 млн. импульсов [1]. Однако при увеличении апертуры разряда искровая предыонизация становится неэффективной [2], т.к. не обеспечивает однородности предыонизации газового объема и, как следствие, тре­буемой однородности объемного разряда.

Активный объем можно увеличить, осуществляя предионизацию через полупрозрачный электрод. В работе [3] в качестве источника УФ предионизации в ХеС1-ла­зере использовался коронный (барьерный) разряд, од­нако малая интенсивность его УФ излучения не позво­лила увеличить сечение разряда свыше 4 х 2.5 см даже при сравнительно низком удельном энергосъеме ~0.8 Дж/л. Импульсно-периодический XeCl-лазер, обладаю­щий энергией генерации 2.6 Дж и рекордной на сегодняш­ний день средней мощностью 2.1 кВт [3], состоял из трех модулей с суммарной длиной основного разряда поряд­ка 3 м, так что один из габаритных размеров лазера равнялся 5.2 м.

Для ХеС1-лазеров с большим объемом активной сре­ды одним из эффективных способов предыонизации яв­ляется применение рентгеновского излучения. Однако сложность устройства рентгеновского источника преи­онизации и необходимость биологической защиты огра­ничивают возможности широкого внедрения лазеров с предыонизацией данного вида. Кроме того, нам неиз­вестны данные о ресурсе газовой смеси в лазерах с рент­геновской предыонизацией при высокой частоте повто­рения импульсов. Этот ресурс может быть невысок, т. к. рентгеновское излучение может способствовать эффек­тивному образованию в рабочей газовой смеси лазера химических соединений, отрицательно сказывающихся на лазерных параметрах.

В [4] был развит альтернативный способ предвари­тельной ионизации широкоапертурных газовых лазеров - ионизация УФ излучением скользящего разряда (СР) по поверхности диэлектрика. В [5] было показано, что такая предионизация, осуществляемая через полупрозрачный электрод, обеспечивает получение объемного разряда с апертурой d х Ъ и 12 х 10 см ( d межэлектродное рас­стояние, Ъ — ширина разряда) и энергию генерации до 20 Дж в импульсном ХеС1-лазере. В [6] мы, используя пред-ыонизацию СР, впервые получили среднюю мощность электроразрядных эксимерных лазеров 1 кВт (10 Дж, 100 Гц) в импульсно-периодическом режиме.

В настоящей работе при помощи УФ излучения вспо­могательного СР исследуются наиболее эффективные режимы предионизации в XeCl-лазерах. Определены ха­рактеристики излучения компактного XeCl-лазера в им­пульсно-периодическом режиме при различных комби­нациях энергии и длительности импульса генерации.

Электродная система широкоапертурных лазеров с УФ предыонизацией излучением СР

Поиск эффективных условий предыонизации прово­дился для ряда импульсно-периодических XeCl-лазеров с предыонизацией УФ излучением СР. На рис.1 показана

Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах

205

Рис.1. Электродная система лазера с УФ предыонизацией излуче­нием СР:

1 — высоковольтный электрод; 2— заземленный щелевой электрод; 3 — ножевой электрод; 4 — сапфировая пластина; 5 — охлаждаемая ме­таллическая подложка.

Компактная электродная система широкоапертурного ХеС1-лазера. Основной объемный разряд формировался между двумя электродами, профилированными по моди­фицированному профилю Чанга. Позади полупрозрач­ного электрода располагался источник УФ предионизации в виде вспомогательного СР по поверхности ди­электрика. В качестве диэлектрика использовалась сап­фировая пластина, расположенная на охлаждаемой ме­таллической подложке, служившей электродом, на кото­рый подавалось импульсное отрицательное напряжение. Ножевой электрод системы формирования СР соединял­ся с заземленным полупрозрачным электродом дискрет­ными параллельными проводниками. СР развивался с ножевого электрода в обе стороны и замыкался на грани металлической подложки. УФ излучение слоя плазмы СР, который однородно покрывал поверхность диэлек­трика, обеспечивало предионизацию активного объема лазера, распространяясь через полупрозрачный элект­род. Сравнительное исследование показало, что для ХеС1-лазеров с объемом активной среды ~ 1 л эффектив­ность использования энергии, затрачиваемой на предио­низацию, в случае применения СР в 5 раз выше, чем при боковой предионизации искровыми разрядами. При этом преимущества УФ предионизации излучением СР наиболее полно проявляются с увеличением поперечного сечения активной среды лазера.

На начальном этапе развития широкоапертурных ла­зеров с УФ предыонизацией излучением СР полупро­зрачный электрод изготавливался перфорированным с диаметром отверстий 1 мм и прозрачностью 50 %. Пер­форация выполнялась в рабочей части электрода толщи­ной 1.0-1.2 мм [6,7]. Использование перфорированных электродов приводило к коллимации потока УФ излуче­ния от СР, поступающего в активный объем лазера через туннелеобразные отверстия перфорированного электро­да, и, соответственно, к неоднородности основного раз­ряда, проявляющейся в его протекании в виде диффуз­ных каналов, привязанных к отверстиям перфорации [7]. Для устранения этого эффекта был разработан новый тип полупрозрачного профилированного электрода, в котором УФ излучение от СР проходит в разрядный объем не через отверстия, а через щели, ориентирован­ные перпендикулярно продольной оси электрода (рис.1). Ширины щелей и перегородок были равны 1 мм, так что прозрачность рабочей части электрода составляла 50 %. С использованием таких щелевых полупрозрачных элек­тродов повышается КПД лазера и достигаются высокие однородность разряда и качество лазерного пучка [8].

Экспериментальное исследование оптимальных условий предыонизации

Первый эксперимент, показавший нам важность пра­вильного выбора условий предыонизации [9], прово­дился на ХеС1-лазере с апертурой d х Ъ = 7.8 х 4.4 см. Для возбуждения основного объемного разряда и вспо­могательного СР использовались две отдельные С-С-схемы питания, коммутируемые одновременно. При варьировании времени зарядки импульсного конденса­тора, подсоединенного к электродам основного объем­ного разряда, было замечено, что при близких времен­ных режимах ввода электрической энергии в разряд и неизменном импульсе УФ излучения СР энергия генера­ции значительно увеличивалась при уменьшении скоро­сти роста разрядного напряжения.

На рис.2 показаны рост приведенной напряженности электрического поля E ( f )/ N ( N - плотность частиц газа) на разрядном промежутке лазера и осциллограмма им­пульса /рг (г) УФ излучения предыонизатора. При усло­виях предыонизации, представленных на рис. 2,6, энергия генерации оказалась в 3 раза выше, чем в случае рис.2,а, характеризующегося большей скоростью нарастания E / N .

В вышеописанном эксперименте положение импульса разрядного напряжения было фиксировано по отноше­нию к импульсу предыонизации, и для лучшего понима­ния столь резкого увеличения энергии генерации был проведен второй эксперимент на XeCl-лазере с аперту­рой d х Ъ = 5 х 3 см. В этом лазере ввод энергии в ос­новной разряд осуществлялся электрической схемой с LC-инвертором и двумя ступенями магнитного сжатия импульса накачки, подобной описанной в [10]. Энерго­вклад в СР проводился с помощью независимой схемы импульсного питания, позволявшей варьировать как энергию, вводимую в СР, так и момент его включения.

На рис.3,а представлено взаимное положение им­пульсов напряжения £/(?), подаваемого на электроды ла­зера, и интенсивности УФ излучения СР /pr (?)- Этому со­ответствует временная задержка между ними, равная нулю. Нулевая задержка (та = 0) выбрана так, что на­чало импульса излучения предыонизатора Ipr ( t ) соответ-

10 8 6 4

В-см2 ); /рг (отн. ед.)

О tc ts 100

200 \Л (не) О

100

200 t (не)

Рис.2. Положение импульса УФ излучения предыонизатора /рг (<) от­носительно импульса приведенной напряженности электрического поля E ( f )/ Ntia . разрядном промежутке лазера при длительностях 140 (а) и 280 не (б) фронта нарастания E / N , соответствующих энергии генерации 2 (а) и 6 Дж (б) для смеси HCl:Xe:Ne = 0.35:2.5:400 кПа.

1/(кВ); /рг (отн. ед.)

30

20

10

О

-10

-400 -200 0 200 <(нс)

2.5 2.0 1.5 1.0

0.5 -100 0 100 200 300 400 та (нс)

Рис.3. Оптимальное положение импульса разрядного напряжения U ( t ) относительно импульса предыонизации Ipr ( t ) (а) и зависимости энергии генерации E \3 S от времени задержки tj между импульсами U ( t ) и /рг (<) при энерговкладах во вспомогательный СР 0.17 (7), 0.42 (2) и 1 Дж (5) (б).

соответствует моменту достижения на разрядном промежутке лазера приведенной напряженности электрического поля ( E / N ) C , при которой реализуется ионизационно-прилипательное равновесие в газе на предпробойной стадии развития объемного разряда: Vi ( E / N ) = va ( E / N ), где v;, va - частоты ионизации и прилипания электронов.

В эксперименте импульс разрядного напряжения U ( t ) неизменной формы можно было сдвигать по времени относительно его положения, показанного на рис.3,а, из­меняя таким образом время та задержки импульса на­пряжения на разряде относительно импульса предиони­зации.

При минимизированном энерговкладе в СР предионизатора (кривая 7 на рис.3,6) зависимость £1 ias (td) име­ет четко выраженный максимум при та и 0. Это озна­чает, что предыонизация наиболее эффективно осуще­ствляется именно с момента достижения ионизационно-прилипательного равновесия в разрядном промежутке лазера. Рассмотрение зависимостей на рис.3,6 показы­вает, что увеличение энергии, затрачиваемой на предионизацию, значительно расширяет диапазон временной задержки (—15 ^ та ^ 200 не), при которой предыониза­ция максимально эффективна. При этом для лазера с магнитной компрессией импульса накачки и характерной скоростью нарастания разрядного напряжения dU / dt ~ 2- 10П В/с увеличение энерговклада во вспомогательный СР свыше Ерг и 0.42 Дж нецелесообразно, т. к. не приво­дит к повышению энергии генерации лазера или к замет­ному изменению зависимости £ias от та (кривые 2,3 на рис.3,6).

Третий эксперимент был проведен на XeCl-лазере с размерами разряда 5 х 3 х 70 см. Отличительной особен­ностью этого лазера является использование для накачки основного разряда схемы с предимпульсом [2], обеспечи­вающей энергию импульса генерации E \ as ^ 3 Дж при КПД ц к 3.6 % и длительность импульса генерации ~ 120 не.

На рис.4,а показано оптимальное положение им­пульса УФ предионизации /рг (?) относительно импульса напряжения на электродах основного разряда U ( t ), а так­же осциллограммы тока через разряд I ( f ) и импульса генерации /ias (?). По сравнению со схемой с магнитной компрессией импульса накачки (рис.3,а) здесь начальный участок импульса напряжения на разряде U ( t ) отлича­ется большей длительностью (свыше 0.5 мкс) и, следова­тельно, малой скоростью нарастания dU / dt < 5-Ю10 В/с (рис.4,а). Этому соответствует больший (не менее 0.2 мкс) временной интервал эффективной предионизации на стадии роста разрядного напряжения (как это видно из зависимостей £1 ias (ta), представленных на рис.4,6).

Как видно из зависимостей U ( t ), Ipi ( t ), приведенных на рис.4,а, особенностью рассматриваемой техники на­качки является реализуемое непосредственно перед до­стижением максимума напряжения на разрядном проме­жутке лазера резкое увеличение скорости нарастания это­го напряжения (до ~5'10П В/с), что облегчает условия зажигания однородного объемного разряда за счет боль­шого перенапряжения. При этом в соответствии с зави­симостями 7,2 на рис.4,6 максимальные энергия генера­ции и КПД лазера достигаются при значительно мень­ших (примерно на порядок величины) энерговкладах в СР рг и 25 мДж), чем для схемы с не столь высокой скоростью нарастания напряжения (рис.3,6).

В результате оптимизации режимов предыонизации и возбуждения активной среды энерговклад во вспомога­тельный СР составил лишь 0.025 % от энерговклада в ос­новной объемный разряд компактного высокоэффектив­ного 0/ > 3 %) импульсно-периодического ХеС1-лазера.

1/(кВ);

Ipr, I, lias

(отн. ед.) 20

-20

-40

-600

-300

300

'(не)

*(Дж) 3

-300

о

300

та (не)

Рис.4. Экспериментальные осциллограммы импульса предыониза­ции Ipr ( t ), разрядного напряжения U ( t ), тока /((), импульса генерации las(') (и) и зависимости энергии генерации XeCl-лазера от tj при энерговкладах во вспомогательный СР 10 (1) и 25 мДж (2) (б) для схемы накачки с высоковольтным предымпульсом.

Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах

207

Р(Вт) 600

400 200

О

О

100

200

/(Гц)

Рис.5. Зависимости средней мощности XeCl-лазера Р (1 — 3) и от­носительной нестабильности энергии генерации а (4—6) от частоты следования импульсов при длительности импульсов генерации 120 (1,4), 70 (2, 5) и 45 не (5), 6).

Характеристики режима с высокой частотой следования импульсов

Простой и надежный предыонизатор на базе СР хо­рошо вписывается в конструкцию импульсно-периоди-ческого эксимерного лазера. Используя предыонизатор этого типа, мы создали компактный универсальный ХеС1-лазер со средней мощностью излучения 500 Вт. Электроразрядная система лазера, показанная на рис.1, и обеспечивающая скорость газа ~ 25 м/с при межэлект­родном расстоянии d = 5 — 1 см система прокачки, по­добная использованной в [10] для создания KrF-лазера мощностью 600 Вт, размещались в алюминиевой трубе длиной 1.2 м с внутренним диаметром 42 см.

Некоторые зависимости, характеризующие универ­сальный XeCl-лазер, приведены на рис.5. Зависимость средней мощности лазерного излучения Р от частоты следования импульсов/при длительности генерации 120 не (кривая 1 на рис.5) была получена при использовании схемы накачки с высоковольтным предымпульсом, ха­рактеристики которой приведены на рис.4. Зависимости P ( f ) при длительности импульса генерации 70 и 45 не (кривые 2,3 на рис.5) были получены для схем возбужде­ния, использующих LC-инвертор и две ступени магнит­ного сжатия.

На рис.5 показано также поведение относительной нестабильности энергии генерации а в зависимости от частоты следования импульсов (кривые 4—6). Из рас­смотрения этих кривых видно, что относительная неста­бильность энергии генерации не превышает 1 %, что сви­детельствует о высокой эффективности используемого режима предыонизации.

Анализ результатов

Для характеристики и сравнения режимов предыони­зации на временном интервале роста напряжения на раз­ряде введем параметр nf 0 [9]:

f's Г Г

- 4(0 ехр- 0;

J /с I J tc

ос /Р г(?) - скорость производства фотоэлектронов в единице разрядного объема, пропорциональная интен­сивности УФ излучения предыонизатора; tc - момент времени достижения ионизационно-прилипательного

равновесия: Vi ( tc ) = va (?c ); ts - момент времени, к которо­му произошел существенный (в 3 —10 раз) рост числа эле­ктронов в лавинах, при этом J,s (v; — va ) dt ~ 1 — 2. Пара­метр nf 0 эквивалентен обычной начальной плотности электронов ие о, т. к. при t ^ ts

Л* (О

ft

л^ехр vidt '. Jtc

Из расчетов с привлечением количественных данных по константам скоростей ионизации и прилипания [5] следует, что для газовой смеси HCl:Xe:Ne = 0.35:2.5:400 кПа отношение (£/-/V)c «2.3-10~17 В-см2 (рис.2). При этом, если в случае рис.2,а к моменту времени tc и 20 не фото­электроны еще не производились предионизатором, то в случае рис.2,6 к моменту времени tc их наработано до­статочно большое число (~ (1/3)и^), причем они почти не гибли, т. к. уа гс < 0.2. В итоге для случая рис.2,а nf 0 в 3.5 раза меньше, чем для случая рис.2,6. Более того, при меньшей скорости роста напряжения (рис.2,6) коэффици­ент размножения электронов в лавинах К= \п(пе /п^} при t ^ ts + 40нс во много (значительно больше 1.6) раз меньше, что отдаляет во времени наступление критиче­ских условий потенциального перехода в стример и 20) и приводит к большему диффузионному расплыванию лавин и их более полному перекрытию.

На осциллограммах рис.2 видна общая качественная особенность временного режима предионизации: сохра­нение значительной интенсивности фотоионизации до момента существенного роста числа электронов в лави­не ts . Из этого можно заключить, что в обоих случаях нет условий для образования обедненной электронами зоны вблизи катода из-за их дрейфа до момента ts .

Из приведенного рассмотрения следует, что эффек­тивной является предыонизация на определенном опти­мальном временном интервале роста напряжения на разрядном промежутке. Данный интервал находится в окрестности момента достижения ионизационно-прили­пательного равновесия tc , и его верхняя граница соответ­ствует моменту существенного роста электронов в лави­нах ts . При этом качество разряда и, соответственно, интенсивность генерации будут высокими, если к момен­ту ts будет достигаться некая пороговая для данных ус­ловий возбуждения разряда концентрация электронов nf 0 . Эффективность предионизации, понимаемая как минимальность энергетических затрат на предионизацию при максимальной энергии генерации лазера, опре­деляется оптимальностью способа достижения требуе­мой пороговой концентрации nf 0 к моменту времени t $.

Кривая 7 рис.3,6 подтверждает сказанное выше, т. к. при минимизированном энерговкладе в СР предыониза­тора максимум энергии генерации получен именно тогда, когда импульс УФ излучения СР реализовался на вре­менном интервале tc < t < ts . Если импульс УФ излуче­ния СР реализуется позже оптимального момента вре­мени, показанного на рис.3,а, энергия генерации резко падает (отрицательная область задержек та на рис. 3,6), поскольку фотоэлектроны, созданные после момента времени ts , уже не дают начало дополнительным лави­нам с большим числом электронов и большими разме­рами, способным эффективно (с точки зрения однород­ности разряда) перекрыться, т. е. не повышают уровень предионизации nf 0 . В случае, когда импульс УФ излуче­ния осуществляется раньше оптимального момента времени (положительная область задержек та на рис.3,6), энергия генерации также падает, т. к. к моменту ts нара­батывается и сохраняется меньшая концентрация фото­электронов из-за их прилипания. Однако, если увеличить энерговклад в СР, энергия генерации сохраняется высо­кой и в области положительных задержек та (кривые 2,3 на рис.3,6), поскольку к моменту ts еще сохраняется тре­буемая концентрация фотоэлектронов.

При использовании схем накачки с предимпульсом высокая скорость нарастания напряжения на предпробойной стадии разряда снижает требования к пороговой концентрации фотоэлектронов, обеспечивающей высо­кое качество основного разряда и максимальную энер­гию генерации XeCl-лазера (рис.4). В то же время, по­скольку предыонизация осуществляется на начальном участке фронта импульса напряжения с малой скоро­стью нарастания, то интервал времени от tc до ts (Т = tc ts ) увеличивается. Соответственно увеличивается и диапазон задержек та, при которых высокая энергия ге­нерации сохраняется (рис.4,6).

Заключение

Обоснован режим эффективной предыонизации в эк-симерных XeCl-лазерах, заключающийся в ее осуществ­лении на оптимальном временном интервале роста раз­рядного напряжения с оптимально сформированным фронтом. Показано, что длительность временного ин­тервала, соответствующего максимальной эффективно­сти предионизации, возрастает при снижении скорости роста разрядного напряжения dU / dt , когда отношение E / N находится в определенной окрестности значения, соответствующего ионизационно-прилипательному рав­новесию (v; = va ) в разрядном объеме. В то же время уве­личение dU / dt на этапе лавинного размножения фото­электронов резко снижает уровень предионизации, необ­ходимый для достижения максимального КПД лазера, существенно повышая ее эффективность.

Показано, что предыонизация УФ излучением СР, осуществляемая в оптимальном режиме, позволяет при очень малом энерговкладе в СР (~ 100 мДж) добиваться высоких энергий генерации ХеС1-лазеров с различными условиями ввода энергии в основной разряд. Этот факт имеет важное значение для импульсно-периодического режима работы лазеров, поскольку при таком малом энерговкладе в источник предионизации, во-первых, не вносится существенных возмущений в газовую среду лазера и, во-вторых, обеспечивается приемлемо малое рас­пыление электродов системы формирования вспомога­тельного разряда. Таким образом, предионизатор не яв­ляется препятствием для повышения ресурса исполь­зования как газовой смеси, так и оптических окон лазера при его долговременной работе, что является необходи­мым условием использования лазеров в технологии. Кроме того, при снижении энерговклада в СР ресурс са­мого предыонизатора также увеличивается. При исполь­зовании предыонизатора на базе СР в компактных импульсно-периодических ХеС1-лазерах со средней мощно­стью излучения 500 Вт не отмечено случаев разрушения диэлектрика предыонизатора при наработке, превышаю­щей 108 импульсов.

3. Возбуждение эксимернго KrF -лазера оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения.

В настоящее время экеимерные лазеры (ЭЛ) являются мощными и эффективными источниками когерентного излучения в УФ области спектра. Для их возбуждения широко применяются пучки элект­ронов высокой энергии и электрический разряд. При этом КПД по вложенной энергии многих ЭЛ достигает 10 %. Известны эксперименты по эффек­тивному возбуждению ЭЛ СВЧ разрядом в поле импульсного СВЧ излучения в сходящихся конусо­образных волноводах [1]. В связи с этим представля­ет несомненный интерес возможность возбуждения лазеров на эксимерах (например, KrF, ArF и др.) мощным ИК лазерным излучением, когда в средах этих лазеров развивается оптический разряд.

Эффективными источниками ИК лазерного из­лучения являются импульсные химические лазеры на цепной реакции водорода со фтором. В результа­те ранее проведенных нами исследований была показана возможность создания чисто химических HF- и DF - СО2 -лазеров на так называемой фотонно-разветвленной реакции. На их основе возможно создание многокаскадных систем химических лазе­ров, где импульс выходного излучения каждого предыдущего лазера инициирует работу после­дующего, излучающего импульс с энергией, бол­ьшей в 10-20 раз [2]. Таким образом, для трехкаскадной системы выходная энергия ИК лазерного излучения будет превышать энергию входного им­пульса в 103 - 104 раз. Если конечным каскадом служит ЭЛ, возбуждаемый оптическим разрядом в поле ИК излучения импульсного химического лазе­ра с КПД ~ 10 %, то возможно получение импульса УФ лазерного излучения с энергией, в 102 - 103 раз превышающей затраченную на инициирование хи­мического трехкаскадного лазера.

В настоящей работе исследуется среда KrF-лазера, в которой оптический разряд возникает под действием ИК лазерного излучения. Рассматри­вается возможность эффективного возбуждения ла­зера на смеси F2 -Kr-He импульсами излучения с длиной волны 10,6 и ~3 мкм длительностью 20-150 не и исследуется прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения через среду ЭЛ.

Рассмотрим среду KrF-лазера (смесь F2 -Kr-Не), на которую действует импульс ИК лазерного излучения с интенсивностью в максимуме /тах , при которой возможно развитие в данной среде оптиче­ского разряда и обеспечивается наработка достаточ­ной концентрации электронов ( Ne ~ 1016 см~3 ). Первичные "затравочные" электроны в среде ЭЛ могут возникать при испарении в поле ИК излуче­ния ультрадисперсных частиц, почти всегда наход­ящихся в газах, из которых приготовляют лазерную смесь. Эти частицы веществ, не реагирующих со фтором, имеют размеры 0,01-0,1 мкм и концентра­цию и~ 106 см~3 . Если такие частицы отсутствуют в смеси ЭЛ, их туда следует инжектировать с кон­центрацией, не меньшей 105 см~3 .

Итак, частицы с размерами менее 0,1 мкм будут испаряться под действием ИК лазерного излучения с соответствующей интенсивностью за времена, мно­го меньшие длительности возбуждающего импуль­са. При этом образуются свободные термоэлектро­ны, переходящие в газовую среду вместе с нейт­ральными атомами и ионами. "Микропробои" в парах вещества частиц также сопровождаются об­разованием свободных электронов в лазерной сме­си. Возникающие свободные электроны будут бы­стро набирать энергию в поле ИК излучения, вызывая в ходе их диффузии в лазерную среду ионизацию атомов и молекул с образованием новых электронов. При этом вследствие быстрого набора энергии электронами сравнительно малое их ко­личество будет захватываться молекулами фтора в реакции F2 + e-»F~ + F [3]. Сечение этого процесса падает при энергиях электронов свыше 0,3 эВ [4], электроны же в ходе развития электронной лавины в среде ЭЛ будут иметь среднюю энергию е^З эВ, если скорость их диссоциативного прилипания к молекулам фтора меньше скорости ионизации ком­понентов смеси. Таким образом, в поле ИК лазер­ного излучения соответствующей интенсивности электроны диффундируют в лазерную среду, не уменьшаясь в количестве. При этом коэффициент диффузии электронов с е^З эВ составляет Z)<? ~3-103 см2 /с в смесях с давлением р~\ атм. Время диффузионного смешения электронов т^« R 2 / l 6 De ( R - среднее расстояние между ультрадис­персными частицами) при и~ 106 см~3 составит 2 не. Итак, в поле возбуждающего ИК излучения соот­ветствующей интенсивности в среде KrF-лазера за время порядка нескольких наносекунд возникает практически однородная концентрация первичных свободных электронов. Далее под действием излуче­ния с подходящей пиковой интенсивностью /тах в среде развивается электронная лавина и концентра­ция электронов быстро возрастает, достигая макси­мума спустя некоторое время после пика возбуж­дающего импульса. Затем по мере спадания интен­сивности ИК лазерного излучения концентрация электронов может уменьшаться из-за их диссоциа­тивного прилипания к молекулам фтора.

Таким образом, импульс ИК лазерного излуче­ния с соответствующей максимальной интенсив­ностью /тах может обеспечивать в среде ЭЛ как предионизацию за счет испарения ультрадисперс­ных частиц, так и наработку необходимой для возбуждения ЭЛ концентрации свободных электро­нов. В рассматриваемом случае будет происходить возбуждение ЭЛ оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения. При этом оптимальная для возбуждения ЭЛ концентрация электронов (1015 -1016 см~3 ) будет нарабатываться при соответст­вующей оптимальной интенсивности возбуждающе­го излучения в максимуме. Вследствие ослабления ИК лазерного излучения электронами с указанной концентрацией необходима фокусировка возбуж­дающего импульса оптической системой с подход­ящим фокусным расстоянием . Как показывают дальнейшие расчеты, это может обеспечить нара­ботку практически постоянной максимальной кон­центрации электронов на достаточно большой дли­не в среде KrF-лазера.

При действии возбуждающего ИК излучения с максимальной интенсивностью, превышающей оп­тимальную, на входе в среду ЭЛ может развиваться оптический пробой, при котором концентрация электронов достигает значений Ne ~ 1018 см~3 . Но при таких больших Ne ИК лазерное излучение будет заметно ослабевать по мере его дальнейшего про-хрождения в среду ЭЛ. При этом вследствие очень сильной зависимости порога пробоя от интенсивно­сти излучения пробой не возникает уже на сравни­тельно небольшом (~ 1 см) расстоянии от входа возбуждающего импульса в лазерную среду. Соот­ветственно и концентрация электронов будет резко падать с расстоянием до значений, при которых воз­можно прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения в среду ЭЛ. При фокусировке пучка ИК излучения в лазерной среде будет обеспечиваться наработка практически постоянной концентрации электронов, зависящей от фокусного расстояния при котором ослабление ИК излучения будет ком­пенсироваться соответствующим сжиманием пучка из-за его фокусировки. Например, как показывают расчеты, для импульса излучения длительностью ~ 10 не с длиной волны 10,6 мкм, действующего на среду KrF-лазера (р к, 2 атм), практически постоян­ная максимальная концентрация образующихся электронов Ne ж 1016 см~3 обеспечивается на доста­точно большой длине (~1 м) при /«3,5 м. Для наработки же электронов с Ne ж 1015 см~3 требуется фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с фокусным расстоянием/» 20 м. Таким образом, для обеспечения наработки в среде ЭЛ необходимой концентрации электронов Ne на бол­ьшой длине достаточно сфокусировать входное ИК лазерное излучение оптической системой с соот­ветствующим фокусным расстоянием однозначно определяющим значение Ne , которое практически не зависит от интенсивности /тах на входе в лазерную среду.

Нами было проведено численное моделирова­ние процессов в среде KrF-лазера при действии на нее ИК лазерного излучения с длинами волн 2,8 и 10,6 мкм. С этой целью совместно решались урав­нения для температуры и концентрации свободных электронов в поле ИК излучения, уравнения химиче­ской кинетики для концентраций F2 , Кг , Не , Кг + , Kr+ 2 , F~, KrF и скоростное уравнение генератора где /г - интенсивность излучения KrF-лазера внутри резонатора; g - коэффициент усиления; а - коэффи­циент фотопоглощения в лазерной среде; g , - порог резонатора; Vs - член, учитывающий спонтанное излучение молекул KrF. При исследовании распро­странения возбуждающего импульса ИК излучения в среде ЭЛ численно решалось также уравнение переноса излучения

c~ W/8r + 8//8х = 21/( f - х) - ц/,

ЦВт/см2

где / - интенсивность ИК излучения; х - расстояние от фокусирующей системы вдоль направления рас­пространения ИК излучения; ц - коэффициент ослабления возбуждающего излучения свободными электронами в среде KrF-лазера.

В расчетах учитывались следующие процессы -[5]:

диссоциативное прилипание электронов к молеку­лам фтора -

F2 + e ^ f-+ F ; диссоциация молекул F2 электронным ударом -

F2 + е ->• 2F + е ; возбуждение атомов электронным ударом -

Не + е -» Не* + е, Кг + е -» Кг* + е;

ионизация из основного и возбужденного состояний

Кг + е -> Кг+ + 2е, Кг* + е -> Кг+ + 2е,

Не + е -> Не+ + 2е, Не* + е -> Не+ + 2е; образование ионов Кг2 -

Кг+ + Кг + Не -> Кг2 + + Не; диссоциативная рекомбинация -

Кг2 + + е -» Кг* + Кг; пеннинговская ионизация -

Не* + Кг -> Не + Кг+ + е, Не* + Кг + Не -> -> Кг+ + 2Не + е, Кг* + Кг* -> Кг+ + Кг + е; тушение возбужденных атомов Кг -Кг* + е -> Кг + е;

образование возбужденных молекул KrF -Кг* + F2 -> KrF* + F, Kr+ + F~ + He -> KrF* + He, а также гибель молекул KrF в реакциях

KrF*+ F2 -> Кг + 3F, KrF*+ Кг + He ^

2Kr + F + He, KrF + 2He -> Kr

2He,

Зависимость от времени интенсивности возбуждающего лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм на входе в среду р2 - Кг - Не (1) и после прохождения в этой среде 50 см (2) при фокусировке ИК излучения оптической системой с фокусным расстоянием 3,5 м.

сам с максимумом при (рисунок):

tm = tf /5 = 4 30 не

при

Ш = [/maxW«/0/ -

Поскольку в исследуемых смесях KrF-лазера концентрация гелия намного превышает концентра­цию других компонентов, коэффициент поглощения ц(е) ИК излучения свободными электронами в лазерной среде при е < 5 эВ полагался [3] равным (8/3)ц0 (2е/Зл:81)1 '/2 , где ц0 - коэффициент поглощения ИК излучения в Не при больших энергиях электро­нов [6], ei = 6 эВ.

Конкретные численные расчеты были проведе­ны нами для смесей KrF-лазера, типичных для

Таблица 1

KrF -> Кг + F + hv , KrF + е -> Кг + F + е.

Константы скоростей указанных процессов, за­висящие от электронной температуры, брались из [5,6]. Константа скорости диссоциативного прили­пания электронов к F2 (в см3 /с) апроксимирова-лась на основе данных [4] выражением 2,6-1 (Г9 х хехр(-0,08/Ге )/Те , где Те - температура электронов в электронвольтах. Для диссоциации молекул фтора электронным ударом константа скорости полага­лась равной 2-1 (Г9 см3 /с. Возбуждающий импульс ИК лазерного излучения длительностью г,- = 20 150 не брался в расчетах близким по форме к экспериментально наблюдаемым лазерным импуль-

Примечание: tp - время достижения максимума импульса генерации KrF-лазера; Р/ - удельная мощность генерируемого излучения; е/ - удельный лазерный эне­ргосьем KrF-лазера, возбуждаемого оптическим раз­рядом.

Экспериментальных условий [5]: F2 :Kr:He = = 3:75:1500 (смесь 1) и 4:200:1500 мм рт.ст. (смесь 2). Полагалось, что к моменту t = 1 не после начала действия возбуждающего импульса ИК излучения концентрация электронов, возникающих при испа­рении ультрадисперсных частиц в среде KrF-лазера, достигает Ne = 109 см~3 . При этом расчеты, выпол­ненные при Ne ( t = 1 не) = 107 - 1010 см~3 , приводят практически к тем же результатам.

Вначале нами были исследованы характеристи­ки плазмы оптического разряда в указанных средах на входе ИК излучения в смесь KrF-лазера (х = 0) при различных /тах и ?,-. Результаты расчетов для импульса ИК лазерного излучения длительностью tj = 20 не представлены в табл. 1. Видно, что необ­ходимая для образования требуемой концентрации электронов Ne х 1015 - 1016 см~3 интенсивность ИК излучения в максимуме ( t = 4 не) должна со­ставлять ~ 1,7 ГВт/см2 для СО2 -лазера и ~ 24 ГВт/см2 для HF-лазера. При этом электрон­ная температура достигает наибольших значений T'max = Te ( t = 4 не) х 3 — 3,5 эВ, а максимальная концентрация электронов JVmax нарабатывается к моменту гтах «15- 17 не, когда Те снижается до 1,4 - 1,6 эВ. В дальнейшем концентрация электро­нов убывает, в основном из-за их диссоциативного захвата молекулами фтора.

Нами также были проведены модельные расч­еты генерационных характеристик KrF-лазера, воз­буждаемого при развитии оптического разряда под действием импульса ИК лазерного излучения. При этом предполагалось, что возбуждение происходит однородно по всей длине активной среды, что возможно при фокусировке ИК излучения цилин­дрической линзой, расположенной вдоль лазерной кюветы с небольшими поперечными размерами.

В расчетах коэффициент усиления g для про­стоты полагался равным < JoNa , где go = 2-10~16 см2 -сечение индуцированного излучения, Na - концент­рация молекул KrF . Учитывалось фотопоглощение генерируемого излучения молекулами F2 , ионами F" и возбужденными атомами Кг . Порог резонатора полагался равным 10~2 см"1 . Результаты расчетов в случае возбуждения импульсами излучения СО2 -лазера длительностью t / = 20 не с различными /тах представлены в табл.2. Во всех вариантах длитель­ность генерируемого импульса на полувысоте со­ставляла 5-6 не. При некотором оптимальном значении /тах для каждой смеси достигается наибол­ьший удельный энергосьем KrF-лазера (примерно 12 Дж/л при /тах = 1,93 ГВт/см2 для смеси 1 и ~26 Дж/л при /тах = 1,77 ГВт/см2 для смеси 2).

При дальнейшем увеличении максимальной интенсивности возбуждающего ИК излучения про­исходит резкое снижение г/. Это объясняется возни­кновением очень большой (свыше 1017 см~3 ) кон­центрации электронов, при которой происходит почти полное исчезновение F2 , так что становится невозможным дальнейшее возрастание концентра­ции KrF . Из-за отсутствия F2 концентрация элект­ронов после окончания действия возбуждающего импульса практически не падает, вызывая быстрое тушение возбужденных молекул KrF , что ведет к существенному снижению энергии генерации KrF-лазера. Как следует из табл.2, использование смеси 2 позволяет достигать удельных лазерных энергосъе-мов, более чем вдвое превышающих е/ для смеси 1.

В табл.3 приведены результаты численного исследования KrF-лазера, возбуждаемого оптиче­ским разрядом (смесь 2) при различных длитель­ностях импульса ИК лазерного излучения в усло­виях, когда концентрация электронов достигает приблизительно одинакового значения JVmax х 1016 см~3 . Видно, что при увеличении г, в 3 - 7 раз необходимая для наработки данной концентрации электронов интенсивность возбуждающего импуль­са в максимуме снижается соответственно в 2 - 3 раза. При этом удельный энергосъём KrF-лазера увеличивается с 5 до 15-25 Дж/л, что в первую очередь обусловлено ростом энергии возбуждающе­го импульса с t /.

Нами было исследовано распространение им­пульса ИК лазерного излучения в среде F2 - Кг - Не путем численного решения уравнения переноса ИК излучения с учетом поглощения электронами плазмы оптического разряда. Учитывалась также фоку­сировка ИК излучения оптической системой с фокусным расстоянием / (уравнение (1)). Это необ­ходимо прежде всего для изучения возможности возбуждения KrF-лазера оптическим разрядом в достаточно больших объемах и определения удель­ной энергии ИК излучения, затраченной на возбуж­дение. В табл.4 представлены результаты расчетов для импульса СС>2-лазера с длительностью t / = 20 не и Лпах = U7 ГВт/см2 при различных значениях / (смесь 2). Полагалось, что фокусирующая система расположена у входа в среду KrF-лазера в уравнении (1) равно расстоянию, пройденному ИК излучением в лазерной смеси). Расчеты показывают, что для каждого / начиная с расстояния х^ x //20, в среде ЭЛ будет возникать определенная максималь­ная концентрация электронов, практически не из­меняющаяся далее с расстоянием х. Это хорошо видно из табл.4, где приведены значения JVmax и rmax для Xi и X 2 xf / I 0. При этом временная форма возбуждающего импульса по мере прохождения среды KrF-лазера претерпевает изменения - интен­сивность в максимуме растет, а длительность на полувысоте уменьшается (см. рисунок).

Таким образом, задавая определенное значение / можно обеспечить в лазерной среде на большой длине наработку почти неизменной концентрации электронов, соответствующей выбранному /. На­пример, наработка электронов с JVmax х 1016 см~3 на длине / х 1 -2м обеспечивается при фокусировке рассматриваемого импульса ИК излучения с Х = 10,6 мкм оптической системой с фокусным расстоя­нием/» 3,5 м. При этом /тах на входе в лазерную смесь может изменяться в некоторых пределах - всё равно нарабатываемая концентрация электронов, начиная с некоторого расстояния х, при заданном / будет одинаковой. Это подтверждают, в частности, расчеты, проведенные при неизменных /=3,5 м и ЛпахС* = 0) = 1,4 - 1,8 ГВт/см2 , которые показы­вают, что в этом случае, начиная соответственно с расстояний х х 40 - 10 см, в среде KrF-лазера будет нарабатываться концентрация электронов с одним и тем же значением JVmax х 1016 см~3 .

Эффективность возбуждения KrF-лазера оп­тическим разрядом г| = 8//е/, где е, - энергия ИК лазерного излучения, вложенная в единицу объема активной среды. Если длина / генерирующей среды ЭЛ существенно меньше / то е, х Р//1, где Р/ = I ( i ( t ) dt , /о - интенсивность ИК излучения на входе в лазерную смесь. Как показывают проведенные выше расчеты, для импульса излучения СО2-лазера длительностью 20 не при fx 3,5 м и /тах (0) х 1,7 ГВт/см2 обеспечивается наработка практи­чески постоянной концентрации электронов с Л^тах ~ Ю16 см~3 в среде KrF-лазера (смесь 2) на длине /~1 м. В этом случае Р,<х 10 Дж/см2 и е, «100 Дж/л. Ранее было найдено, что при Л^тах ~ Ю16 см"3 в исследуемом варианте удельный лазерный энергосъем е/ х 5 Дж/л. Таким образом, эффективность возбуждения ЭЛ лазерным ИК излучением составляет ц ~ 5 %. При уменьшении / увеличиваются JVmax и г/, но вследствие пропор­ционального уменьшения длины генерируемого объема / эффективность ц практически не измен­яется вплоть до JVmax х 1017 см~3 . Например, для /= 1 м JVmax увеличится до 4-1016 см~3 (табл.4), а удельный энергосъем KrF-лазера е/ возрастет до ~ 15 Дж/л, однако / в соответствии с уменьшением / также уменьшится в 3 раза.

Итак, в настоящей работе показана возмож­ность эффективного возбуждения KrF-ЭЛ оптиче­ским разрядом, возникающим в лазерной среде под действием импульса ИК излучения с А, х 3 и 10,6 мкм. Для рассмотренных смесей F2 - Кг - Не с давлением 2 атм пиковая интенсивность возбуж­дающего импульса длительностью 150 - 20 не на входе в лазерную среду, как показывают расчеты, должна составлять соответственно 8-25 ГВт/см2 для Х= 2,8 мкм и 0,5 - 1,7 ГВт/см2 для А, = 10,6 мкм. При этом необходима фокусировка возбуждающего ИК лазерного излучения оптической системой с фокусным расстоянием f ~\ - 30 м. Это обеспе­чивает, начиная с некоторого расстояния в среде F2 -Кг - Не, наработку практически постоянной требуе­мой концентрации электронов, определяемой знач­ением / и возможность однородного возбуждения KrF-лазера оптическим разрядом на длине / х 0,3 - 10 м.

Список использованных источников

1. Верховский В.С., Мельченко С.В., Тарасенко В.Ф. Генерация на молекулах XeCl при возбуждении быстрым разрядом // Квант. электрон. – 1981. – Т.8, №2. – С.417–419.

2. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Низкоимпендансный генератор высоковольтных импульсов. // ПТЭ. – 1990. – №3. – С.99–101.

3. С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский. Влияние параметров LC-инвертора на энергию генерации ХеС1-лазера. // Межвуз. сб. “Лазерная и оптико–электронная техника. – Минск: Университетское, 1992. – С.91–96.

4. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Влияние параметров контура возбуждения на длительность и форму импульса генерации ХеС1-лазера. // Межвуз. сб. “Лазерная и оптико-электронная техника. – Минск: Университетское, 1992. – С.86–90.

5. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Володенков А.П., Исследование энергети­ческих и временных характеристик генерации XeCl-лазера // Программа и тезисы докладов XIV Литовско-Белорусского семинара.– Прейла: Литва.–1999.–с.16.

6. Елецкий А.В. Эксимерные лазеры // УФН. – 1978. – Т.125. – Вып.2. – С.279–314.

7. В.М.Багинский, П.М.Головинский, В.А.Данилычев и др. Динамика развития разряда и предельные характеристики лазеров на смеси Не-Хе-НС1 // Квант. электрон. – 1986. – Т.13, №4. – С.751–758.

Оценить/Добавить комментарий
Имя
Оценка

Работы, похожие на Реферат: «Системы возбуждения эксимерных лазеров»

Назад
Меню
Главная
Рефераты
Благодарности
Опрос
Станете ли вы заказывать работу за деньги, если не найдете ее в Интернете?

Да, в любом случае.
Да, но только в случае крайней необходимости.
Возможно, в зависимости от цены.
Нет, напишу его сам.
Нет, забью.



Результаты(222284)
Комментарии (3003)
Copyright © 2005-2019 BestReferat.ru bestreferat@gmail.com реклама на сайте

Рейтинг@Mail.ru