2
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК..................................10
Стенд “Модуль-2”....................................................10
Установка “Максим"..................................................11
ЭКСИМЕР! 1ЫЙ ЛАЗЕР “ЭОАЗ"...........................................12
ГЛАВА 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСИЛЕНИЕ АКТИВНЫХ СРЕД ЭИ-СО^ ЛАЗЕРОВ.. ..........................................»м.«.............. 17
Введение......................................................................17
Зависимости удельной энергии генерации от удельной энергии и длительности
ИМПУЛЬСА НАКАЧКИ..............................................................19
ИЗМЕРЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ (КУ) ПО СЕЧЕНИЮ АКТИВНОЙ СРЕДЫ
ЭИ-С02 ЛАЗЕРОВ................................................................24
Исследование КУ на стенде “МОДУЛЬ-2 ".......................................24
Измерения КУ на стенде “МАКСИМ”.............................................35
ГЛАВА 2. РАСХОДИМОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭИ-С02 ЛАЗЕРОВ............38
Введение..................................................................... 38
ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДИМОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТРАДИЦИОННЫХ СМЕСЕЙ
ГАЗОВ..........................................................................40
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ РАСХОДИМОСТИ В ТЕЧЕНИЕ ИМПУЛЬСА НАКАЧКИ.....................52
Измерение расходимости излучения лазеров при использовании "легких” смесей
ГАЗОВ..........................................................................61
Зависимость расходимости от показателя преломления активной среды..............82
Широкоапертурный резонатор.....................................................88
ГЛАВА 3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ.......................................... 95
ВВЕДЕНИЕ................................................................95
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТ АВ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭИ-С02 ЛАЗЕРОВ. ОТНОСИТЕЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭНЕРГИИ ПО ВРАЩАТЕЛЬНЫМ КОМПОНЕНТАМ.....................................96
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭИ-С02 ЛАЗЕРОВ ДЛЯ СМЕСЕЙ С ИЗОТОПАМИ С02.106
ГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭКСИМЕРНОГО ЛАЗЕРА «ЭКЛАЗ» 115
ВВЕДЕНИЕ................................................................115
Расчетная модель энергетических характеристик лазера....................115
РЕЗУЛЬТА ТЫ РАСЧЕТОВ....................................................117
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ......................123
ЧАІСПЮЧРНИР ..............................................................129
ЛИТЕР АТУ Р А ...................... «м.....................
3
Введение
Проблема формирования лазерного излучения высокого качества в электроразрядных газовых лазерах различных типов и назначений является актуальной задачей до настоящего времени. Эта проблема, в частности, остро стоит при разработке мощных С02 и эксимерных лазеров.
С02 лазеры являются наиболее широко распространенными источниками когерентного излучения среднего ИК диапазона. К достоинствам этих лазеров можно отнести простоту их конструкции, высокий коэффициент полезного действия г|~20% /'/ и возможность однородного возбуждения активной среды (АС) большого объема.
Особое место занимают электроионизационные (ЭИ) С02- лазеры (ЭИЛ) с несамостоятельным разрядом /2/, /3/, /V, /5/, /*/, объем АС которых может достигать нескольких сот литров, а поперечные размеры лазерного пучка нескольких десятков сантиметров /7. В ЭИ лазерах ионизация газовой смеси производится пучком быстрых электронов с энергией 150-г300кэв, а энергия возбуждения вкладывается в активную среду при оптимальной напряженности
яттр*-тгшцргуг*гп гтпиа Р/п=Ч-^*-Ц/г'м-ятм Ппи ятпм пття пяятшчньту гяяпдыу
1 ------ -- — Г - ’ -......... 1 * » А
смесей С02:Ы2:Не достигаются достаточно высокие значения коэффициента усиления активной среды на уровне (2-5-4)-Ю^см*1 /4/. Энергия излучения таких лазеров может достигать нескольких килоджоулей при длительности импульса
4
генерации в несколько десятков микросекунд, при этом пиковая мощность
о
составляет сотни мегаватт / /.
ЭИ ССЬ-лазеры находят применение в производственных технологических процессах, научных исследованиях и при решения специальных задач (дальняя связь, передача энергии на расстояние, лазерная коррекция орбит искусственных спутников Земли /9/, /10/). В настоящее время мощные С02 системы находят свое применение при ликвидации пожаров на нефтяных скважинах и аварий на радиационно опасных объектах.
В большинстве практических случаев требуется либо фокусировка лазерного излучения, либо его доставка на значительные расстояния с наименьшими потерями. Для этого лазерное излучение должно обладать минимальной расходимостью, по возможности, близкой к дифракционному пределу 0д~ХЛ) (X - длина волны, Э - апертура лазерного пучка).
На расходимость лазерного излучения существенное влияние оказывает выбор оптической схемы резонатора, применяемого в лазере, а также оптические неоднородности активной среды Г 7.
В ЭИ С02-лазерах с большими поперечными размерами АС, обычно применяются неустойчивые резонаторы (НР), способные без потерь энергии обеспечить генерацию излучения с предельно малой расходимостью определяемой дифракцией излучения на выходной апертуре /11/.
5
Однако наличие в АС лазера оптических неоднородностей приводит к ухудшению расходимости излучения даже при использовании НР. В ЭИ С02 лазерах причинами их появления могут быть, например, приэлектродные волны сжатия и разрежения /12/, стримеры и токовые шнуры /13/ и газодинамические возмущения при неоднородном возбуждении АС /14/.
Даже в импульсном режиме работы ЭИ С02 лазера и при неподвижной газовой среде расходимость его выходного пучка далека от дифракционной /15/.
Эксперименты, описанные в /15/, показали, что качество пучка резко ухудшается уже в течение импульса генерации ~20мкс. В этой же работе было показано, что во время генерации в АС ЭИ С02- лазера атмосферного давления возникают оптические неоднородности, являющиеся причиной снижения его качества. Эти оптические возмущения, причиной возникновения которых является само излучение, обычно называют неоднородностями самовоз действия.
В работе /16/ были выполнены численные расчеты, чтобы объяснить наблюдавшийся экспериментально факт сильного уменьшения яркости лазерного пучка за время импульса генерации (гмл,„=20мкс). В модели расчетов предполагалось ухудшение оптического качества АС лазера из-за проникновения в объем резонатора акустической волны самопоздействия возникшей на краю пучка. Однако согласия между экспериментальными и
6
расчетными данными получено не было. В эксперименте яркость лазерного пучка за время светового импульса уменьшалась значительно быстрее.
До последнего времени традиционно используемыми в крупномасштабных ЭИ импульсно-периодических (ИП) С02-лазерах атмосферного давления являлись рабочие смеси типа С02:Ы2:Не = 1:5:2, 1:6:3. Такой состав смсси был обусловлен экономией Не и большей, чем в других смесях, устойчивостью разряда. Благодаря способности генерировать в течении 40ч-50мкс, такие смеси обеспечивают съемы энергии до нескольких десятков килоджоулей /8/.
Однако как состав традиционных смесей, так и длительности импульсов накачки т„>15ч-20мкс не являются оптимальными для достижения минимальной расходимости излучения ЗИЛ. Так, на стенде, описанном в /7/ на смеси С02:М2:Не =1:5:2 в импульсном режиме и при использовании неустойчивого телескопического резонатора (НТР) была получена
расходимость излучения, составляющая по уровню 0,5 полной энергии 2x10
"% *
’’’рад, что почти в 30 раз превышает дифракционный предел (0л=7х1О' рад).
Пути достижения расходимости ЭИ С02-лазеров на уровне 10'4рад и, в
дальнейшем, дифракционной расходимости без существенного снижения
энергии излучения были не ясны.
Кроме энергетических и пространственных характеристик лазерного
излучения эффективность использования С02-лазеров в таких областях, как
7
лазерная химия, нелинейная оптика и других требуется иметь возможность генерации излучения в узком спектральном интервале и перестраивать длину волны излучения. В то же время спектральный интервал линии генерации лазера имеет значение при прохождении лазерного луча через протяженные трассы в атмосфере. Применение редких изотопов двуокиси углерода в С02 лазерах позволяет обогатить спектр излучения и уменьшить потери на поглощение при прохождении лазерного луча через атмосферу.
В нескольких работах теоретически /’ 7, /18/, /19/, /20/ и экспериментально /19/, /2‘/, /22/, /23/ изучался спектр излучения импульсных ЭИЛ, однако, в них исследовались лазеры с длительностью импульса накачки т„< 1мкс.
Расчет спектра излучения ЭИЛ атмосферного давления с длительностью накачки в несколько десятков микросекунд был выполнен в /24/.
Расчеты, аналогичные проведенным в /24/, были опубликованы в работе / / при т„=1мкс и ти=40мкс для ЭИЛ атмосферного давления на изотопах 12С1602, ,3С1602. Экспериментально спектр излучения ЭИЛ атмосферного давления на изотопах 12С1802, 13С1602 изучался в импульсном режиме при т„=2мкс /2б/.
Проведение спектральных исследований излучения ЭИ С02-лазера при длительности накачки активной среды в несколько десятков микросекунд представляло интерес.
8
Проблема улучшения расходимости излучения также актуальна для эксимерных лазеров, которые применяются в качестве источника ультрафиолетового излучения для литографии, в установках модификации поверхности и микрообработки материалов. В настоящее время разработкой и производством эксимерных лазеров занимаются свыше десятка фирм и предприятий. Выпускаются лазеры с излучением на длинах волн 157 нм (на Р2) 193 нм (на АгГ), 248 нм (на Кг!7), 308 нм (на ХеС1), 222 нм (на КгС1). Средняя мощность лазеров лежит в диапазоне от единиц до сотни ватт. Энергия в импульсе изменяется от единиц миллиджоулей до нескольких джоулей при длительности импульсов Ю-5-ЗООнс, частоте следования от десятка до сотен герц. Ресурс работы лазеров с обновлением газовой смеси достигает 10* импульсов. Стабильность мощности излучения от импульса к импульсу Зч-10% к.п.д. 1-г5% / /. Максимальные мощности излучения эксимерных лазеров обеспечивают плоские резонаторы. Однако при этом расходимость излучения составляет для сантиметровых апертур несколько миллирадиан, что почти на два порядка превышает дифракционный предел.
Это обстоятельство является принципиальным ограничением, например, в ряде актуальных задач микроэлектроники, в которых для создания топологии больших микросхем требуется фокусировать излучение эксимерных лазеров в пятно размерами 2-ьЗмкм. Для этого было необходимо улучшить расходимость излучения лазера до уровня ~10‘4 рад, а это 'требовало проведения исследования
9
энергетических и пространственных характеристик излучения эксимерного лазера.
Положения, выносимые на защиту.
1 .Экспериментально установлено, что “легкие” смеси обеспечивают
более высокий (по сравнению с традиционными смесями) ненасыщенный коэффициент усиления ЛС ЭИ С02-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки 10ч-30мкс.
2.Экспериментально показано, что при длительности импульса накачки тн<30мкс наименьшую расходимость излучения ЭИ ССЬ-лазера атмосферного давления обеспечивают смеси С02:К2:Не с содержанием Не на уровне 75% и отношением [С02]:[1\Т2]= 1-^-2.
3.Применение широкоапертурного резонатора с размерами апертуры 10x20см позволяет в импульсном режиме получить расходимость излучения ЭИ СОг-лазера равную (2-ьЗ)-10‘4рад по уровню 0,8 полной энергии.
^Экспериментально установлено, что генерация ЭИ С02-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки ЗОмкс протекает одновременно на нескольких вращательных переходах Р(14)-НР(20) с выделением 70ч-90% полной энергии на переходе Р(20).
5.Применение неустойчивого телескопического резонатора для эксимерного КгР лазера позволяет в 10 раз улучшить расходимость его излучения при незначительной потере выходной мощности.
10
Описание экспериментальных установок.
Стенд “Модуль-2”
Основные экспериментальные методики, использованные в данной работе для измерения энергетических, пространственных и спектральных характеристик лазерного излучения, были отработаны на лазерном стенде “Модуль-2” в Государственном Оптическом Институте. Стенд “Модуль-2” представляет собой импульсный ЭИ СОг-лазер атмосферного давления с длиной активной среды 1м. Электронный ускоритель—тетрод с
прямонакальным катодом — позволял получать пучок электронов с энергией на входе в фольговый узел до 200кэВ и изменять плотность тока в пределах 5-г20мА/см2.
Электрическая схема с частичным разрядом накопителя применялась для питания разряда газоразрядной камеры (ГРК). Максимальная напряженность электрического поля разряда составляла 5кВ/см при межэлектродном расстоянии В 10см. Концентрами* эчли’тпгшот* пяяпяля ня тскязистаттионапной
Г .- -----1-----1--Ґ г ' х
стадии разряда длительностью до ЗОмкс не превышала 3-Ю "см’ .
Для вывода излучения использовался неустойчивый телескопический резонатор с прямоугольными зеркалами и различными увеличениями М=1,5-гЗ; размешенными на расстоянии 2м друг от друга внутри разрядной камеры Размер стороны вогнутого зеркала составлял 116мм.
11
Постоянно контролируемыми в экспериментах параметрами являлись токи электронного пучка и разряда, энергия и форма импульса излучения. Ток пучка измерялся поясом Роговского, ток разряда - безындуктивным шунтом, энергия генерации - стандартными термопарными калориметрами КТП-5-2. Форма импульса излучения регистрировалась фотоприемниками типа “Свод”. Хорошая воспроизводимость характеристик разряда и лазера наблюдалась в течение, по меньшей мере 30 разрядов при одном напуске рабочей смеси в камеру. Удельная энергия накачки менялась в пределах 100*300 Дж/л-атм.
Установка “Максим”
Лазерная установка “Максим” представляет собой импульсный ЭИ С02-лазер квазинепрерывного действия с замкнутым газовым контуром и объемом активной среды 2л. При максимальной скорости протока газа 21м/с и расходе газа 0,8кг/с частота следования импульсов длительностью ЗОмкс составляла 200Гц. Для формирования излучения применялся двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор. Максимальная средняя мощность генерации установки “Максим” - 10кВт.
Устройство ионизации - электронный ускоритель - имел следующие основные физико-технические и конструктивные параметры:
Тип электронно-оптической системы.................планарный триод
Ускоряющее напряжение...........................200*250кВ
Ток нагрузки....................................6* ЮЛ
12
Ток за фольгой....................................2ч-ЗА
Длительность импульса.............................ЗОмкс
Площадь выводного окна............................80х 700мм2
Средняя мощность выведенного пучка................7,2кВт
В системе питания разряда ГРК лазера “Максим” использовалась схема с частичным разрядом накопительной емкости со следующими техническими
данными:
Номинальное напряжение накопителя..................20кВ
Импульсное значение тока разряда....................2кА
Длительность импульса разряда.......................ЗОмкс
Частота повторения импульсов........................504-200Гц
Максимальная потребляемая мощность..................200кВт
Данная система электропитания обеспечивала удельный энерговклад в разряд ГРК до 300Дж/л.
Эксимерный лазер “Экпаз”
Некоторые из освоенных методик использовались при оптимизации параметров излучения эксимерного лазера “Эклаз”, разработанного в НИИЭФА.
Упрощенно поперечный разрез излучателя лазера показан на Рис. 1.
- Київ+380960830922