Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.................................................................6
Глава 1. Экспериментальные установки и метод и ки экспериментов.........26
1.1. Экспериментальная установка для исследования характеристик мощного электроразрядного эксимерного лазера..................................26
1.2. Экспериментальный стенд и методика исследования параметров излучения имнульсно-периодических эксимерных лазеров. ..........................29
1.3. Стенд для исследования и оптимизации режима предыонизации мощного
ХеС1 лазера.................... *....................................32
{
1.4. Расчетное моделирование электрических полей электроразрядных систем лазеров...............................................................34
1.5. Моделирование схем накачки для мощных ХеС1 лазеров.................36
Глава 2. Физические факторы, определяющие энергетические характеристики
электроразрядных ХеС1 лазеров....................................... 43
2.1. Конфигурация элсктроразрядной системы эксимерного лазера с высокой
скоростью прокачки газа...............................................43
2.2. Влияние профиля электродов на формирование объемного разряда в
компактной электроразрядной системе с высокой скоростью прокачки газа.. 46
2.3. Анализ эффективности режимов ввода энергии в разряд широкоаиертурного ХеСІ лазера.............................................................51
2
2.4. Причины, ограничивающие апертуру ХеС1 лазеров с искровой системой предыонизации.........................................................61
2.5. Возможности увеличения апертуры в электроразрядной системе с предыонизацией излучением скользящего разряда.........................65
2.6. Сравнительные исследования эффективности различных систем УФ предыонизации....................................................... 68
2.7. Влияние флуктуаций плотности газа в разрядном объеме на среднюю мощность излучения ХеС1 лазеров..................................... 70
2.8. Выводы к главе 2...................................................76
Глава 3. Оптимизация физических параметров импульсно-периодического ХеС1
лазера со средней мощностью излучения 500 Вт..........................78
3.1. Характеристики схемы накачки и компактного газодинамического контура. 78
3.2. Исследование оптимальных условий возбуждения активной среды при работе лазера с высокой частотой следования импульсов.................84
3.3. Исследования возможностей достижения средней мощности 500 Вт с
различными комбинациями основных параметров...........................89
ЗАИсслсдования параметров лазерного излучения...........................93
3.5. Оптимизация условий предыонизации мощных ХеС1 лазеров..............96
3.6. Факторы, определяющие время жизни газовой смеси и поддержание стабилизированного уровня средней мощности при долговременной работе лазера...............................................................102
3.7. Выводы к главе 3..................................................107
3
Глава 4. Исследования условий, обеспечивающих высокую стабильность энергии генерации от импульса к импульсу в мощных ХеС1 лазерах...............109
4.1. Влияние максимальных значений Е/Ы и условий предыонизации на стабильность энергии генерации.......................................110
4.2. Зависимость относительной нестабильности э от скорости прокачки газа и частоты следования импульсов.........................................114
4.3. Исследование зависимости 5 от состава газовой смеси................120
4.4. Влияние скорости обмена газа в приэлектродных областях на максимальную частоту' следования импульсов........................................122
4.5.Исследование зависимости в от режима ввода энергии в активну'ю среду... 124
4.6.Влияние пространственной неоднородности газового потока на стабильность энергии генерации....................................................126
4.7. Стабильность энергии генерации - фактор, характеризующий время жизни газовой смеси лазера.................................................128
4.8. Выводы к главе 4...................................................131
Глава 5. Проблемы и перспективы наращивания средней мощности в
элекгроразрядных ХеС1 лазерах.........................................133
5.1. Исследования характеристик компактного ХеС1 лазера с предыонизацией со стороны катода.......................................................133
5.2. Малоиндуктивная широкоапертурная электроразрядная системаэксимерного лазера...............................................................139
5.3. Экспериментальные результаты модернизации ХеС1 лазера со средней
4
мощностью излучения 1 кВт..........................................141
5.4. Зависимость минимального коэффициента смены газа ХеС1 лазера от апертуры разряда.....................................................146
5.5. Физические причины, ограничивающие апертуру ХеС1 лазеров и возможности наращивания средней мощности излучения до 10 кВт. 158
5.6. Выводы к главе 5..................................................151
Заключение.............................................................153
Литература.............................................................157
5
ВВЕДЕНИЕ.
Эксимерные молекулы - широкий класс молекул, существующих только в возбужденных состояниях. Впервые механизм инверсной заселенности на эксимерных молекулах был реализован в 1970 году Н.Г. Басовым с сотрудниками при накачке среды жидкого ксенона пучком электронов. Таким образом, первой эксимерной молекулой, на которой была получена генерация, явился димер инертного газа Хе*2 [1]. В 1975 году было показано , что такие эксимерные молекулы, как галогениды инертных газов могут эффективно создаваться при тушении метастабильных атомов инертных газов галогеносодержащими молекулами [2]. Эта работа явилась основой для развития нового класса газовых лазеров на галогенидах инертных газов. Диапазон излучения лазеров на галогенидах инертных газов охватывает ближнюю УФ область спектра. Лучшими генерационными характеристиками обладают лазеры на эксимерных молекулах АіТ (длина волны излучения 193 нм), КгС1 (222 нм), КгР (248 нм), ХеС1 (308 нм) и ХеБ (351 нм, 353 нм, 480нм). Отличительной особенностью лазеров на
4 ГЧ •
галогенидах инертных газов является то, что они работают на лазерных переходах между двумя электронными состояниями, верхний из которых имеет потенциальный минимум, а нижний является разлетным (АгБ, КгС1, КгР), либо слабосвязанным (ХеС1, ХеР), поэтому инверсия населенности в таких системах может достигать 100%. Это же является причиной безструктурности и непрерывности спектра излучения и определяет относительно широкую полосу усиления лазеров на галогенидах инертных газов. В сочетании с малым временем
V
распада возбужденного состояния (~10'8-П0'9 с), присущая эксимерным молекулам широкая линия испускания излучения обуславливает необходимость
> • • ’Ч
накачки с высоким уровнем вкладываемой мощности, что в свою очередь
« . * .
6
предъявляет повышенные требования к системам питания лазеров.
Широкое применение в науке и технологии нашли эксимерные лазеры, возбуждаемые самостоятельным объемным разрядом в сочетании с предварительной ионизацией активной среды. Эти лазеры конструктивно проще, по сравнению с лазерами, накачиваемыми электронным пучком, надежны в эксплуатации, не требуют защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения и обеспечивают получение больших средних мощностей в режиме с высокой частотой повторения импульсов [3]. Типичная газовая смесь, обеспечивающая максимальные генерационные характеристики эксимерных лазеров, состоит из 0,1+0,3 % галогена (Р7, ЫР3, НС1, СС14), 1+10% тяжелого инертного газа (Хе, Кг, Ат) и легкого (буферного) инертного газа (Не, Ие) при общем давлении несколько атмосфер. При таком давлении и энерговкладе ~100Дж/л естественная форма разряда - это дуговой накал. Поэтому, основные трудности, возникающие при создании эксимерных лазеров с накачкой самостоятельным разрядом, связаны с получением объемного разряда и сохранением его однородности в течение всего времени ввода электрической энергии.
Условия формирования объемного разряда при высоких давлении и энерговкладе определяются целым рядом взаимосвязанных факторов. К основным из них относятся: состав газовой смеси, уровень и однородность нредыонизации, режим ввода энергии, конфигурация электродной системы и др. Использование предварительной ионизации газа обусловлено необходимостью создания в разрядном объеме высокой плотности начальных электронов и, тем самым, обеспечения однородности разряда за счет существенного перекрытия электронных лавин. Неоднородности, неизменно
7
возникающие в объемном разряде, ограничивают время эффективного, с точки зрения образования эксимерных молекул, ввода энергии в разряд tBin. В зависимости от режима ввода энергии, качества предыонизации, состава смеси и других факторов оно составляет *вкл~ 10'6-г-10*7с. В отличие от эксимерных лазеров на фторидах инертных газов, где время развития неустойчивости объемного разряда составляет 5(Ы00 не, лазеры на молекуле ХеС1*, которым посвящена данная работа, характеризуются меньшей скоростью развития неустойчивости объемного разряда и, соответственно, большим временем tBKji. Поэтому, в ХеС1 лазерах возможно осуществление эффективной накачки значительно больших (на порядок по величине, по сравнению с ArF, KrF лазерами) объемов активной среды и получение энергии генерации несколько десятков Дж/импульс [4].
В связи с этим, в середине 1980-х годов целью ряда национальных и международных программ стало создание ХеС1 лазеров со средней мощностью излучения ~ I кВт [5-8]. Создаваемые лазеры отличались как типом используемой предыонизации, так и режимом ввода энергии в активную среду. В рамках общеевропейской программы EUREKA была получена максимальная средняя мощность излучения 750 Вт в ХеС1 лазере с искровой системой предыонизации [9]. Поскольку УФ излучение от рядов искр не позволяло однородно предыонизовать большие объемы активной среды, целый ряд исследований был нацелен на создание ХеС1 лазеров, возбуждаемых объемным разрядом с предыонизацией рентгеновским излучением. Наиболее значительным достижением было создание в ходе реализации программы EUREKA французского широкоапертурного импульсно-периодического ХеС1 лазера VEL
8
(Very Large Excimcr Laser), на котором в 1993 г было продемонстрировано в кратковременном режиме (Ч),1 секунды) достижение средней мощности 1 кВт (10 Дж, 100 Гц) [10]. Как следует из публикации [11] переход к долговременному режиму возбуждения так и не был осуществлен.
На основе схемы накачки с высоковольтным предымнульсом и рентгеновской предыонизации в Нидерландах был разработан 1 кВт лазер с параметрами 1Дж, 1000 Гц для технологических применений [12,13]. Однако, устройство рентгеновского источника предыонизации довольно сложное, требует защиты обслуживающего персонала и поэтому лазеры с рентгеновской предыонизацией не нашли широкого применения в технологии.
В рамках японского национального проекта AMMTRA [6] к 1995 г. была создана ХсС1 лазерная установка с максимальной на сегодняшний момент средней мощностью излучения 2.1 кВт при частоте следования импульсов 800 Гц [14]. Для возбуждения активной среды, как и в [12,13], использовалась схема накачки с предымпульсом и УФ предыонизация излучением слаботочного незавершенного (коронного) разряда. Достаточно низкий (~107 электронов/см3) уровень фотоионизации, обеспечиваемый таким нредыонизатором, не позволяет увеличить апертуру основного объемного разряда и ограничивает возможности эффективного повышения энергии генерации в отдельном импульсе. В связи с этим, в работе [14] для получения энергии генерации 2,6 Дж использовались три идентичных лазерных модуля, объединенных одним каскадным резонатором, так что один из габаритных размеров составил более 5 м.
В отличие от рассмотренных выше способов, развитое в лаборатории импульсных лазерных систем ТРИЫИ'ГИ направление возбуждения лазеров на галогенидах инертных газов импульсным объёмным разрядом в сочетании со
9
вспомогательным завершенным скользящим разрядом но поверхности диэлектрика в качестве мощного протяженного источника УФ предыонизации позволило преодолеть указанные трудности и впервые в мире в 1990 г. достичь уровня средней мощности излучения ХеС1 лазера I кВт (10 Дж, 100 Гц) [154-17].
Хотя, к 1995 году (времени начала работы над диссертацией) были показаны принципиальные возможности получения высокой импульсной и средней мощности ХеС1 лазеров, все созданные установки отличались небольшой продолжительностью работы и были неприемлимы для использования в индустрии.
С другой стороны, лазеры применяемые в технологических процессах должны обладать такими характеристиками, как:
- время работы без смены газовой смеси ~ 107 импульсов,
- срок службы лазерной камеры 1-2*109 импульсов (что соответствует
четырем месяцам непрерывной работы при частоте следования импульсов
200 Гц),
- высокая стабильность энергии генерации от импульса к импульсу,
- поддержание стабилизированного уровня средней мощности в течение
всего времени работы лазера.
Такими характеристиками к 1995году обладал только лазер модели L-4000 со средней мощностью излучения 200 Вт (1Дж, 200 Гц или 0,67 Дж, 300 Гц), выпускаемый фирмой Lambda Physik [18].
Среди существующих и потенциальных применений XeCl лазеров, таких как обработка материалов [19, 20], создание рентгеновских источников [21], усиление коротких импульсов [22] и т.д., наиболее перспективным и бурно развивающимся в настоящее время применением мощных XeCl лазеров является
10
лазерный отжиг в производстве плоских жидкокристаллических дисплеев [23, 24]. Максимальный размер экрана в этом технологическом процессе определяется энергией генерации лазера в отдельном импульсе. Для увеличения размера экрана уже сейчас необходимо внедрение лазеров с большей (~2+ЗДж) энергией в импульсе. Новые перспективные методы лазерного отжига, интенсивно разрабатываемые в настоящее время [25], предполагают использование ХеС1 лазеров с энергией генерации - 4+8 Дж с длительностью оптического импульса Р\¥НМ т > 100нс. Увеличение частоты следования
имп.
импульсов лазера повышает производительность всей производственной линии.
Увеличение объема разряда и энергии генерации эксимерных лазеров возможно в основном за счет расширения апертуры разряда. Это объясняется тем, что фотопоглощение на длине волны генерации частицами, образующимися в активном объеме, имеет ненасыщающий характер и приводит в режиме насыщенного по усилению съема энергии к значительным потерям излучения [26+28] и необходимости ограничения длины активной среды. С другой стороны, увеличение объема разряда влечет за собой рост индуктивности разрядного контура, что в условиях ограниченно]© времени вклада энергии в активный объем создает ряд проблем, связанных с получением однородного разряда, а также снижает эффективность генерации. Поэтому, задача создания новых малоиндуктивных электроразрядных систем с большой апертурой, режимов возбуждения активной среды, обеспечивающих максимальную однородность объемного разряда и увеличение эффективности получения генерации, представляется важной и актуальной.
Дополнительные трудности возникают при реализации импульснопериодического режима работы лазера. Помимо технических проблем, таких
11
как обеспечение надежности работы системы накачки, создание равномерного распределения скорости газового потока в активном объеме, эффективного охлаждения газовой смеси и т.д., существует ряд физических причин, снижающих энергию генерации в импульсно-периодическом режиме и ограничивающих максимальную среднюю мощность лазера. Известно, что с повышением частоты следования импульсов однородность разряда импульсно-периодических эксимерных лазеров ухудшается. Появляющиеся в разряде неоднородности в виде сильноточных каналов снижают долю энергии, вложенную в диффузную часть разряда, а следовательно и энергию генерации. Как было показано в работах [29^-31J, причиной снижения однородности и контрагирования разряда в импульсно-периодическом режиме являются акустические колебания, возникающие в газовом активном объеме от предыдущих разрядных импульсов. Катодные пятна, появляющиеся на разрядных электродах при высоких энерговкладах в объемный разряд, могут инициировать привязку сильноточных каналов к одним и тем же местам в импульсно-периодическом режиме. Вызванные первоначально акустическими колебаниями, неоднородности могут усиливаться вследствие локального разогрева участков электродов и наличия паров металла электродов вблизи них [32]. Изменение состава газовой смеси вследствие образования и накопления молекул водорода и хлора, взаимодействие молекул HCl со стенками газового контура и частицами металла, появляющимися в результате распыления разрядных электродов, приводят к снижению энергии генерации при продолжительной работе XeCl лазера в импульсно-периодическом режиме [27].
Рассмотренные явления не только ограничивают максимальную среднюю мощность лазера, но и уменьшают срок службы электродов, время жизни газовой
12
смеси, снижают стабильность энергии генерации.
Практически важной задачей для создания технологического эксимерного лазера является поиск физических условий, обеспечивающих высокую стабильность энергии генерации от импульса к импульсу. Являясь одной из главных характеристик технологического эксимерного лазера, определяющих, например, точность микрообработки материалов или качество изготавливаемое дисплея, стабильность энергии генерации неразрывно связана с однородностью объемного разряда. В литературе, касающейся создания мощных ХеС1 лазеров, до последнего времени приводились только мощностные и энергетические характеристики. Стабильность энергии генерации, как правило, не рассматривалась. Существует ряд работ, посвященных технологическим ХеС1 лазерам с энергией генерации до 1 Дж [33-5-35], в которых представлены данные по стабильности. В работе [36] представлен результат измерения стабильности энергии генерации ХеС1 лазера с Е|а5~5 Дж в импульсе. Однако измерения проводились в моно-импульсом режиме для небольшого числа импульсов.
Таким образом, физические условия достижения высокой стабильности энергии генерации подробно не исследовались и к настоящему моменту в литературе отсутствуют работы, посвященные исследованиям стабильности энергией генерации лазеров с Е,^> 2 Дж в импульсно-периодическом режиме.
Все вышесказанное обуславливает важность и актуальность задач, рассмотренных в диссертации.
Цель работы состояла в исследовании взаимосвязанных физических условий, обеспечивающих получение и поддержание в течение длительного времени в электроразрядных ХеС1 лазерах с УФ предыонизацией большой средней мощности 0.5ч-1 кВт с высокой стабильностью энергии генерации от
13
импульса к импульсу (о < 2 %).
Основными задачами работы, решение которых необходимо для достижения поставленной дели, были:
1. Исследование условий формирования однородного объемного разряда с большой апертурой 15+50 см2 при высокой частоте следования импульсов 200+300Гц в газовых смесях ХеС1 лазеров.
2. Исследования режимов ввода энергии в объемный разряд, позволяющих увеличить эффективность возбуждения активной среды ХеС1 лазеров в импульсно-периодическом режиме.
3. Создание мощных компактных ХеС1 лазеров с энергией генерации в импульсе 2+10 Дж и частотой следования импульсов 200+300Гц. Изучение факторов, обеспечивающих поддержание в течение продолжительного времени (-10 часов) средней мощности излучения - 0.5 кВт на длине волны 308 нм.
4. Экспериментальные исследования основных процессов и явлений, влияющих на стабильность энергии генерации от импульса к импульсу ХеС1 лазерах со средней мощностью излучения -0.5 кВт.
Методы исследования. В качестве метода исследования в работе принят физический эксперимент с использованием численного моделирования изучаемых физических процессов.
Научная девщда сос_трит_в следующем;
1. Найденные условия обеспечивают получение в газовых смесях ХеС1 лазеров однородного объемного разряда с аиер!урой от 15 до 50 см2 и сохранение его генерационных характеристик при высокой частоте следования импульсов
14
- Київ+380960830922