2
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр
ВВЕДЕНИЕ............................................................... 5
ГЛАВА 1 ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРАХ
1.1 Формирование узкополосного излучения с малой расходимостью в задающем генераторе..............................................................13
1.2 Расходимость излучения в лазерах с неустойчивым резонатором.........17
1.3 Режим инжекционной синхронизации....................................21
1.4 Использование в эксимерных лазерных системах ВРМБ среды.............24
1.5 Преобразование излучения УФ лазеров в процессе ВКР..................28
ГЛАВА 2 АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2Л Электроразрядные лазеры..............................................31
2.2. Лазеры с накачкой электронным пучком...............................37
2.3 Лазерная система МЭЛС-4к............................................45
2.4 Измерение и расчет вложенной в газ энергии электронного пучка.......47
2.5 Измерение и расчет параметров лазерного излучения...................48
ГЛАВА 3 ПОИСК И РЕАЛИЗАЦИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ШИРОКО АПЕРТУРНЫХ ХеС! ЛАЗЕРОВ
3.1 Электроразрядные лазеры с рентгеновской предиоиизацией..............54
3.2 Возбуждение лазера электронным пучком с длительностью более микросекунды............................................................57
3.3 Возбуждение ХеС1 лазера двумя электронными пучками с длительностью импульса 500 не.........................................................62
3.4 Моделирование ХсС1 лазера, возбуждаемого электронным пучком.........64
Г Л А В А 4 ФОРМИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЗАДАЮЩЕМ ГЕНЕРАТОРЕ НА МОЛЕКУЛЕ ХеС!
4.1 Уменьшение ширины спектральной линии в резонаторе с дифракционной решеткой................................................................71
4.2 Уменьшение ширины спектральной линии в резонаторе с эталоном Фабри-Перо.76
4.3 Формирование расходимости и поляризации излучения...................78
4.4 Уменьшение уровня шума в задающем генераторе. .....................82
з
ГЛАВА 5 ФОРМИРОВАНИЕ РАСХОДИМОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ХеС1 ЛАЗЕРЕ С НЕУСТОЙЧИВЫМ РЕЗОНАТОРОМ
5.1 Использование конфокального резонатора положительной ветви..........85
5.2 Резонаторы положительной ветви с обобщенными параметрами #>1........91
5.3 Резонатор с зеркалом переменного отражения..........................97
ГЛАВА 6 УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ХеС1 ЛАЗЕРА
В РЕЖИМЕ ИНЖЕКЦИОННОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ
6.1 Исследование условий, при которых реализуется управление параметрами излучения ХеС1 лазера...................................................101
6.2 Энергетические характеристики.......................................105
6.3 Спектральные характеристики.........................................107
6.4 Расходимость излучения в режиме ИС..................................111
6.5 Поляризация излучения...............................................114
ГЛАВА 7 ФОРМИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЖИМЕ УСИЛЕНИЯ
7.1 Анализ возможных причин искажения волнового фронта лазерного пучка в активной среде усилителей...............................................118
7.2 Расходимость излучения при усилении пучка ЗГ в электроразрядных усилителях 121
7.3 Расходимость излучения на выходе усилителя с накачкой электронным пучком... 125
7.4 Расчет режимов усиления в широкоапертурных усилителях...............127
7.5 Усиление пучка ЗГ в лазерной системе МЭЛС-4К.......................130.
ГЛАВА 8 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВРМБ И ВКР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ХеСІ ЛАЗЕРА
8.1 Обращение волнового фронта за счет ВРМБ.............................134
8.2 Компрессия импульса излучения при ВРМБ..............................137
8.3 ОВФ широкополосного излучения ХеСІ лазера...........................140
8.4 Повышение степени когерентности излучения ХеСІ лазера в резонаторе с ВРМБ зеркалом................................................................142
8.5 Использование ВР для улучшения пространственных характеристик широкоапертурного ХсС1 лазера...........................................145
8.6 Преобразование УФ излучения в парах металлов........................147
8.7 Вынужденное комбинационное рассеяние в газообразном водороде........152
4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................163
АВТОРСКАЯ СПРАВКА...................................165
ЛИТЕРАТУРА..........................................166
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ....182
ПРИЛОЖЕНИЕ........................................ 187
5
ВВЕДЕНИЕ
С открытием в 1975 году лазеров на галогенидах благородных газов (названных эксимерными лазерами) появился новый класс высокоэффективных источников когерентного излучения, спектральный диапазон которых перекрыл большую область ближнего ультрафиолета [1-5]. Данные лазеры работают на таких молекулах, как ХеС1, КгС1, ХеИ, КгК, ХеВг и т.д. За счет того, что нижнее состояние лазерного перехода является слабо связанным либо разлетным, в эксимерньгх лазерах достаточно легко достигается инверсная населенность. В течение первых лет после их открытия основное внимание исследователей было обращено па изучение способов возбуждения лазеров, поиск оптимальных газовых смесей, получение новых линий генерации (различные молекулы) и повышение эффективности лазеров. В результате исследований выяснилось, что для эффективного возбуждения лазеров лучше всего подходит объемный электрический разряд и пучок ускоренных электронов. Наиболее перспективными оказались лазеры на молекулах ХеС1 (длина волны Х=308 нм) и КгР (Х=248 нм), эффективность генерации которых достигала 5 и 12%, соответственно [6-7]. Наряду с высокой эффективностью в данных лазерах была показана возможность для масштабирования их активного объема, что позволяет проектировать и создавать системы с выходной энергией 103-106 Дж [8,9]. Следует отметить, что несмотря на меньшую эффективность ХсС1 лазера, он выгодно отличается от КгР лазера менее агрессивной и более долгоживущей газовой смесыо, большей устойчивостью горения разряда накачки и более доступными и дешевыми оптическими элементами.
Типичный уровень энергии генерации в первых лазерах составлял десятки-сотни миллиджоулей, длительность импульса - десятки и сотни наносекунд. В результате исследований также выяснилось, что излучение эксимсрных лазеров имеет очень низкую степень временной и пространственной когерентности. Это обусловлено прежде всего рядом особенностей данных лазеров. Слабосвязанный либо разлетный нижний терм эксимерных молекул приводит к большой ширине спектральной линии излучения в режиме свободной генерации (Ду ~ 20-30 см'1) [38,55,162]. Малая длительность импульса генерации (десятки наносекунд) и большая длина активной области (50 ~ 100 см) затрудняют формирование низших мод в резонаторе и расходимость излучения таких лазеров с плоскопараллельным резонатором обычно достаточно большая (~ 1-10 мрад) [91,93,138].
6
В связи с этим к началу 80-х годов остро встал вопрос о повышении в эксимерных лазерах как уровня энергии генерации, так и степени временной и пространственной когерентности выходного излучения. Это было обусловлено, прежде всего, потребностью использования лазеров в различных областях, таких как: микроэлектроника, фотохимия, разделение изо-гопов, зондирование атмосферы и океана и т.д. Как правило, для разных задач требовались лазерные пучки с малой расходимостью и узкой шириной спектральной линии, различной длительностью импульса и различным уровнем энергии.
Благодаря короткой длине волны излучения и возможности масштабирования эксимерные лазеры стали рассматриваться как наиболее перспективные источники для экспериментов по инерционному термоядерному синтезу и для фундаментальных исследований по взаимодействию сверхмощного излучения с веществом. В связи с этим появилась потребность исследования, разработки и создания широкоапертурных эксимерных лазеров (усилителей) с активным объемом в десятки-сотни литров.
В конце 70-х годов, к моменту начала выполнения настоящей работы, в литературе существовали только краткие информативные сообщения относительно параметров первых эксимерных лазеров, в которых отмечалась довольно низкая степень когерентности их излучения. Развитие эксимерных лазеров во всем мире с точки зрения повышения энергии и качества их излучения осуществлялось параллельно с выполнением настоящей работы. При этом если автором исследовался ХеС1 лазер, то основное внимание других исследователей было обращено на KrF лазер, с которым и были получены к настоящему времени в мире наиболее серьезные научные и практические результаты. Были созданы такие уникальные KrF лазерные системы, как “Sprite” [35] и “Titania” [193] (Англия), “Nike” [194] (США) и “Ashura” [181] (Япония) с уровнем энергии излучения в импульсе 100-1000 Дж, на которых в настоящее время изучаются как возможности формирования излучения с высокой яркостью, так и взаимодействие сверхмощных потоков излучения с веществом.
Целью настоящей работы являлось исследование процессов формирования мощных импульсов излучения с высокой степенью когерентности в ХеС1 лазерах и лазерных системах для создания ультрафиолетовых источников излучения большой яркости.
Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, который включал в себя измерение энергетических, спектральных, временных,
7
поляризационных и пространственных параметров лазерного излучения; используется также математическое моделирование на ЭВМ и оценочные расчеты.
Диссертационная работа состоит из восьми глав, заключения и приложения. В первой главе дан краткий обзор работ, посвященных формированию в эксимериьгх лазерах излучения с малой расходимостью и узкой спектральной линией за счет применения различных пространственных и спектральных селекторов, неустойчивых резонаторов, режима инжекционной синхронизации, использования нелинейных сред (вынужденное рассеяние Манделылтамма-Бриллюэна - ВРМБ и вынужденное комбинационное рассеяние - ВКР). Во второй главе описана экспериментальная аппаратура, методики расчетов и измерений. В третьей главе приводятся результаты исследований, целью которых являлся поиск эффективных режимов возбуждения и генерации широкоапертурных ХсС1 лазеров с накачкой электрическим разрядом и электронным пучком. При этом исследовались условия реализации однородной накачки, которая очень важна при формировании в лазере высокой степени пространственной когерентности. В четвертой главе исследуются характеристики задающего генератора (ЗГ) на молекулах ХсС1 в зависимости от оптической схемы, параметров накачки, состава и давления газовой смсси. Пятая глава посвящается исследованию возможностей формирования высокой направленности излучения и определению причин ее ограничения в лазерах на молекуле ХеС1 с неустойчивым резонатором. В шестой главе приводятся результаты экспериментального исследования режима инжекционной синхронизации (ИС) в ХеС1 лазерах, возбуждаемых электрическим разрядом и электронным пучком. В седьмой главе исследуется процесс формирования мощных импульсов излучения с расходимостью близкой к дифракционному пределу в ХеС1 усилителях, возбуждаемых электрическим разрядом и электронным пучком. В восьмой главе исследуются возможности использования ВРМБ и ВКР для управления временными, спектральными и пространственными характеристиками ХсС1 лазера. В Заключении кратко изложены основные результаты и выводы работы. В приложении представлены акты внедрения, полученные при выполнении настоящей работы.
Защищаемые положения
1. Величина минимачьной расходимости излучения в широкоапертурных (а £ 10 см) эксимерных лазерах с неустойчивым конфокальным резонатором положительной ветви ограничивается потоками усиленного спонтанного излучения. Уменьшить
8
влияние этих потоков и приблизиться к дифракционной расходимости излучения позволяет резонатор со сферически-выпуклыми зеркалами, в котором величина минимальной расходимости определяется оптической неоднородностью активной среды.
2. Эффективное управление (ц>90%) спектральными, пространственными и поляризационными параметрами излучения электроразрядного ХсС1 лазера в режиме инжекционной синхронизации возможно лишь при малой длительности импульса его генерации (<30 не) и полном заполнении его активной среды от моментов начала
накачки до начала генерации внешним сигналом с интенсивностью более 0,1 Вт/см . В широкоапертурном ХеС1 лазере с длительностью импульса 250 не в режиме ИС показана возможность эффективного управления спектральным составом излучения.
3. При усилении излучения с дифракционной расходимостью в широкоапертурной ХеС1 лазерной системе наибольшее влияние на ею волновой фронт оказывают турбулентные потоки как в лазерной смеси, так и на участках его транспортировки в воздухе. Активная среда усилителя, возбуждаемого электронным пучком, позволила без видимых искажений волновою фронта усиливать пучок диаме тров до 10 см.
4. ХеС1 лазер, возбуждаемый электронным пучком, позволяет реализовать высокий КПД и энергию излучения в импульсе -100 Дж и более при накачке с удельной мощностью - 200 - 400 кВт/см3, с длительностью импульса на полу высоте от максимальной мощности - 300 не и степенью неоднородности не более 30%.
5. При взаимодействии со средой ВРМБ излучения ХеС1 лазера с низкой степенью когерентности и с интенсивностью -100 МВт/см^ стоксов сигнал имеет высокую степень когерентности. Использование этого явления в ХсС1 лазере с резонатором, образованным полупрозрачным выходным зеркалом и ВРМБ средой, позволило сформировать в нем узкополосное излучение (Ду = 0,3 СМ"1) с высокой направленностью (30% энергии в 0Д).
6. При ВКР пучка ХеС1 лазера в парах свинца и сжатом водороде экспериментально достигнуты близкие к физическому пределу параметры излучения: квантовая эффективность преобразования в одну стоксову компоненту 92% и 95%, соответственно; расходимость преобразованного излучения, близкая к дифракционному пределу 0Д в водороде и нескольких 0д в свинце; ширина спектральной линии Лу = 0,01 см'1 в водороде и Ду = 0,05 см'1 в свинце; получено
9
рекордное количество (около 70) одновременно наблюдаемых вращательноколебательных линий в водороде.
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов, отраженных в научных положениях и выводах, обусловлена применением различных общепринятых методик для измерения одних и тех же параметров, совпадением экспериментальных результатов с расчетными, и согласием результатов работы с данными, полученными другими авторами (1 Мскее,
Н.Е.СаііІапсІ, Р. Каппагі, М.К.Реггопе и т. д.).
Научная новизна работы
- впервые показано, что в широкоапертурных эксимерных лазерах с неустойчивым конфокальным резонатором положительной ветви величина минимальной расходимости излучения определяется потоками усиленного спонтанного излучения, а в резонаторе со сферически-выпуклыми зеркалами оптической неоднородностью активной среды;
- впервые показано, что эффективность управления параметрами излучения ХеС1 лазера в режиме инжекционной синхронизации уменьшается при увеличении его длительности импульса более 30 не. При длительности і\п ~ 250 не лучшая управляемость реализована для спектрального состава излучения.
- впервые показано, что высокая эффективность генерации в широкоапертурном ХсС1 лазере, возбуждаемом электронным пучком с длительностью импульса Т|/2 ~ 300 не, реализуется при удельной мощности накачки ~ 200 - 400 кВт/см3;
- обнаружена пространственная и спектральна селекция излучения ХеС1 лазера при взаимодействии его излучения интенсивностью ~ 100 МВт/см2 с ВРМБ средой (Патент № 2077756 от 20.04.97 г.);
- впервые показано, что активная среда ХеС1 усилителя, возбуждаемого электронным пучком, позволяет без видимых искажений волнового фронта усиливать излучение с расходимостью ~ 0.01 мрад;
- впервые экспериментально показано, что преобразованное при ВКР излучение ХеС1 лазера в водороде может иметь расходимость близкую к дифракционному пределу а ширину спектральной линии Ду = 0,01 см’1.
10
Научная ценность работы
1. Активная среда ХеС1 усилителя, возбуждаемого электронным пучком, позволила без искажений волнового фронта усиливать излучение с расходимостью 0.01 мрад.
2. Использовании режима инжекционной синхронизации в ХеС1 лазере с энергией генерации ~ 100 Дж позволило получить на узкой спектральной линии 90% энергии излучения.
3. Взаимодействие усиленного спонтанного излучения ХеС1 лазера интенсивность 100 МВт/см2 со средой ВРМБ позволило сформировать узкополосное (Ду = 0,3 см"*) излучение с малой расходимостью.
4. Высококогерентное излучение ХеС1 лазера позволило достигнуть квантовой эффективности ВКР (водород, пары свинца) на одной стоксовой компоненте более 90%.
Практическая значимость работы
1. Создана чегырехкаскадная ХеС1 усилительная система с выходной апертурой 25x25 см и энергией излучения 200 Дж, позволяющая формировать мощные импульсы различной длительности с высокой степенью временной и пространственной когерентности. Получен лазерный пучок с расходимостью 0.01 мрад, что позволило более чем на два порядка повысить плотность энергии на мишени.
2. Показано, что использование одночастотной накачки пучка ХеСЛ лазера при ВКР в сжатом водороде позволяет получить одновременно до 70 спектральных линий излучения, что примерно в два раза превышает число линий, наблюдаемых при двухчастотной накачке.
3. Показано, что использование в качестве одного из зеркал резонатора ВРМБ среды в ХсС1 лазере позволяет более чем на два порядка уменьшить ширину его спектральной линии и на один порядок расходимость излучения.
Внедрение результатов работы
Результаты исследований по формированию минимальной расходимости излучения в эксимерных лазерах с неустойчивым резонатором использованы в Институте электрофизики УрО РАН при создании установки для обработки твердотельных материалов.
11
Ряд созданных экспериментальных установок и их документация были внедрены в Физическом институте АН СССР (г. Москва) для научных исследований, в Институте прикладной физики АН СССР (г. Горький) для исследований ОВФ, в Институте оптики атмосферы СО АН СССР для получения мощных коротких импульсов.
Полученные в работе оптимальные условия возбуждения ХеС1 лазера электронным пучком легли в основу разработки и создания в ИСЭ СО РАН компактных и эффективных широкоапертурных эксимериых лазеров с уровнем энергии излучения в импульсе 100 - 1000 Дж.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в различных организациях и НИИ (ФИ РАН, ИЭФ УрО РАН, ИПФ РАН, НИИ ЭФА, ИОА СО РАН, ГОИ):
- при разработке и создании широкоапертурных электроразрядных ХсС1 лазеров с энергией излучения в десятки джоулей;
- при разработке и создании ХеС1 лазеров, возбуждаемых электронным пучком, с уровнем энергии генерации в импульсе 100 Дж и более;
- при разработке и создании задающего генератора на молекуле ХсС1;
- для формирования в мощных эксимериых лазерах и лазерных системах импульсов высококогерентного излучения;
- для управления параметрами излучения ХеС1 лазеров путем использования ВРМБ;
- для расширения спектрального диапазона высококогерентного излучения при ВКР пучка ХсС1 лазера;
Вклад автора
При получении результатов настоящей работы автором внесен определяющий вклад, выраженный в постановке задачи, разработке и проектировании экспериментальной техники, выполнении расчетов и моделирования, проведении экспериментов и интерпретации их результатов.
12
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Международных конференциях ЛазсрьГ79 (Флорида) и Лазеры’80 (Новый Орлеан); Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Минск, 1981); Международной конференции и школы “Лазеры и применение” (Бухарест, 1982); IV и VII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электроники (Томск, 1982, 1988); II Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту, 1984); Всесоюзном семинаре “Физика быстропротекающих процессов” (Гродно, 1986); Всесоюзном совещании “Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах” (Томск, 1986); III Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Киев, 1986); Всесоюзном семинаре “Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров” (Лохусалу, 1988, 1990); III Всесоюзной конференции “Взаимодействие излучения плазменных и электронных потоков с веществом” (Сухуми, 1988); XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, симпозиуме “Плазменные лазеры” (Минск, 1988); VI, VII, VIII Всесоюзных конференциях “Оптика лазеров” (Ленинград, 1990, 1993, 1995); XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991); International Workshop “High energy pulsed chemical lasers” (Paris, 1995); II, III, IV International Conferences Atomic and Molecular pulsed lasers (Tomsk, 1995, 1997, 1999); “XII International Symposium on gas flow and chemical lasers” and “High Power lasers conference” (St.- Peterburg, 1998).
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 52 печатных работах, список которых приведен в конце диссертации. По материалам диссертационной работы получено пять авторских свидетельств на изобретение и один патент.
13
ГЛАВА 1
ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОКОГЕРЕНТНОЮ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭКСИМЕРНЫХ
ЛАЗЕРАХ
В режиме свободной генерации расходимость излучения эксимерных лазеров намного превышает дифракционный предел, а ширина спектральной линии обычно составляет десятки обратных сантиметров. Повышение степени временной и пространственной когерентности их излучения осуществляется различными способами. Совокупность всех параметров высокого качества реализуется в задающем генераторе (ЗГ). Однако уровень его энергии не превышает 1 мДж и, вследствие этого, требуются дополнительные усилители энергии. Для снижения расходимости лазеров обычно используют неустойчивый резона гор. Управление параметрами излучения лазеров так же возможно за счет режима инжекционной синхронизации (ИС) и использования нелинейных процессов - ВРМБ и ВКР. Настоящая Глава посвящена краткому обзору литературы, посвященному вопросу формирования в эксимерных лазерах высококогерентного излучения.
1.1 Формирование узкополосного излучении с малой расходимостью в задающем
генераторе
Формирование мачой расходимости излучения в ЗГ обеспечивается за счет расположения в его резонагоре двух диафрагм, осуществляющих пространственную селекцию излучения. При этом, как правило, число Френеля М|.- = с12ЛШ, составляет несколько единиц, а расходимость излучения близка к дифракционному пределу 0(5 = 2,44Ш, где (1 - диаметр отверстия диафрагмы, Ь - длина резонатора, X - длина волны излучения. Диаметр пучка ЗГ в эксимерных лазерах обычно равен 1-2 мм.
Для уменьшения ширины линии излучения используют дисперсионные резонаторы. Время существования усиления в активной среде электроразрядных лазеров составляет несколько десятков наносекунд. Из-за относительно большой длины активной среды (40-100 см) излучение успевает совершить малое число обходов резонатора. Высокий коэффициент усиления и малое число обходов вызывают необходимость использования резонаторов с высокой дисперсией и высоким контрастом полосы пропускания. В связи с этим в резонаторах эксимерных лазеров в
14
основном используются эталоны Фабри-Перо с высокой резкостью [196-198], дифракционные решетки с большим числом штрихов на миллиметр [184,185,199] и селектор Фокса-Смита [186]. Дифракционные решетки, как правило, устанавливаются по схеме Литтрова [10,11,118,153] или в режиме скользящего падения [184,185,199, 10,11,118,153].
Известно, что спектр генерации ХеС1 лазера состоит из 4 линий, соответствующих переходам 0-0, 0-1, 0-2 и 0-3 полосы В-Х, с длинами волн \ = 307.70, 307.96, 308.20, 308.45, соответственно [12]. Использование одной решетки (3600 штр./мм) в автоколлимационном режиме в первом порядке дифракции позволяет уменьшить спектральную ширину линии ХеС1 лазера до 4 см'1 [10]. Дальнейшего уменьшения ширины линии можно достичь за счет увеличения дисперсии резонатора при расширении пучка, падающего на решетку, с помощью призменного телескопа. Дисперсию такого резонатора при согласованной ориентации телескопа и решетки можно выразить как [13]:
Ор = Х(ОреШ + 20т), (1.1)
где X - кратность телескопа, Эт - дисперсия телескопа, Орси, - дисперсия решетки. Использование четырехпризменного телескопа с X - 25 в комбинации с дифракционной решеткой 2400 штр./мм в схеме Лиггрова позволило получить импульсы с шириной спектральной линии Ду = 0.5 см'1 [14].
Наиболее широкое распространение получила схема, в которой дифракционная решетка устанавливается под углом скользящего падения. При этом одновременно она выполняет функцию телескопа и селективного элемента. При обходе резонатора свет дважды дифрагирует на решетке, поэтому дисперсия такого резона гора равна [13]:
Пр = Оа + ХОр « 20а (1.2)
Так, как 1)а = ХЭр, где Ба и Ир -угловая дисперсия в направлениях сужения рабочего пучка и его расширения. Использование голографической решетки 3600 штр/мм позволяет получать импульсы с шириной спектральной линии Ду = 0.5 см'1 [184]. Вывод излучения в подобной схеме осуществляется, как правило, через нулевой порядок дифракции. Для обратной связи используегся излучение, дифрагирующее в первый порядок. Замена зеркала резонатора на вторую дифракционную решетку, работающую в автоколлимационном режиме, позволяет сузить ширину линии до 0.1 см'1 [153]. Дисперсия резонатора при этом определится согласно (1.2) с учетом гою, что дисперсия телескопа равна дисперсии решетки в режиме скользящего падения.
15
Достоинством резонаторов с решетками является линейная зависимость частоты их настройки от угла поворота управляющего элемента. Перестройка ХеС1 лазера на сильных линиях была реализована в работах [199,10,118,153]. В работе [185] был расширен диапазон перестройки от 307,3 до 308,9 нм за счет переходов B(v=0) -X(v=4,5) и B(v=l) - X(v=6,7). Однако во всех перечисленных работах информация носила краткий характер. К тому же в них отмечалось присутствие в выходном излучении большой доли фона на других линиях [199], что характерно для лазеров с малой длительностью импульса и низкой степенью насыщения активной среды.
Избирательность резонаторов с дифракционной решеткой не является достаточной для получения одночастотной генерации. Эталоны Фабри-Перо позволяют существенно повысить избирательность резонатора, однако его периодическая функция пропускания вызывает необходимость использования дополнительного прсселектора. В подобном качестве могут выступать как дифракционные решетки [15-17], так и эталоны с меньшей базой [196-198].
Использование эшеля с 99 штр./мм и двух внутрирезонаторных кварцевых эталонов с базами 1 и 10 мм позволило получить в ХсС1 лазере ширину линии Av = 0.3 см'1 [15]. В работе [16] удалось реализовать такую же ширину при меньшей селективности резонатора (основным селектором был кварцевый эталон с базой 5 мм и резкостью К=14). Подобный результат стал возможен благодаря увеличению длительности генерации. При длине резонатора 1 м в спектре излучения присутствовали 6-7 продольных мод, в то время как избирательность резонатора была I = р2 = 0.1, где р - коэффициент отражения каждой грани эталона.
Использование трех внутрирезонаторных эталонов с базой 0.1, 1, и 5 мм с резкостью 25 (избирательность резонатора длиной 1 м составила I s 0.2) обеспечило в спектре генерации ХеСІ лазера 2-3 продольных моды при общей ширине спектра 220 Мгц (Av - 0.007 см'1) [197]. Длительность импульса генерации при этом составила 60 не. Увеличение избирательности до 0.6 [196], за счет 15 мм кварцевого эталона с резкостью 25, привело к реализации режима одночастотной генерации, однако потери на эталоне, которые составляли на одном проходе 85%, привели к укорочению импульса до 30 не.
К основным недостаткам лазеров с эталонами следует отнести сложность перестройки по спектру. При этом необходимо согласованное изменение частоты пропускания зачастую разнородных преселекгора и селектора. Кроме того, высокий
16
уровень неселективных потерь ставит под сомнение возможность генерации на частотах, отличных от максимумов контура усиления. В силу этих причин до наших исследований практически отсутствовали данные о перестройке длины волны излучения ХеС1 лазера с внугрирезонаторными эталонами.
Снизить неселективные потери и увеличить как длительность импульса генерации так и диапазон перестройки удалось за счет использования схемы резонатора с селектором Фокса-Смита (СФС) [186]. В полосу пропускания преселектора при этом попадало 3 моды СФС. Вместе с тем, оценка, проведенная согласно [13], показывает, что дискриминация по потерям для двух соседних мод СФС в работе [7] была =0.3. При уменьшении этой величины до 0.08 наблюдалась двухчастотная генерация. Избирательность в случае одночасготного режима достигала 0.9. К основным недостаткам СФС следует отнести трудность плавной перестройки (при перестройке преселектора необходимо подстраивать одно из зеркал СФС), а также сложность юстировки СФС [13].
Итак, одной из важнейших проблем, возникающих при переходе к режиму одночастотной генерации в электроразрядном эксимерном лазере, является снижение длительности импульса генерации до 20-30нс [196,186] даже при длительности импульса накачки 50-100 не. Причиной укорочения импульса является, как отмечалось выше, высокий уровень неселективных потерь, вносимых дисперсионными элементами.
Другим путем получения узкополосного излучения является использование лазера с большой длительностью импульса генерации и резонатора с меньшей избирательностью. Так при накачке ХсС1 лазера электронным пучком с длительностью импульса 10 мке и избирательности резонатора I = 0.05 был получен импульс излучения с длительностью 5 мке, спектр которого состоял из пяти продольных мод [18].
Таким образом к началу настоящей работы несмотря на наличие публикаций существовал целый ряд нерешенных проблем, требующих дальнейшего исследования. К таковым можно отнести поиск оптимальных оптических схем для повышения мощности и энергии ЗГ, изучение возможности увеличения длительности импульса ЗГ, снижения уровня шума в выходном излучении и исследование влияния параметров активной среды на его характеристики.
17
1.2 Расходимость излучения в лазерах с неустойчивым резонатором
В случае наиболее часто используемого плоскопараллельного резонатора расходимость излучения эксимерных лазеров достаточно большая и составляет единицы и десятки мрад. Уменьшение расходимости выходного излучения возможно с использованием неустойчивого резонатора. Благодаря высокому коэффициенту усиления выходная энергия при этом может уменьшаться незначительно, в то время как яркость излучения может возрастать в сотни и тысячи раз [19,20].
Наиболее распространенный тип неустойчивого резонатора - конфокальный резонатор положительной ветви, Рис.1.1. Излучение из такого резонатора может выводиться с помощью делительной пластинки, за счет частичного пропускания выпуклого зеркала либо, что наиболее часто используется, со стороны выпуклого зеркала (дифракционный вывод излучения), Рис. 1.1 (в). К недостаткам последнего способа следует отнести то, что выходной поток в ближней зоне имеет неоднородное распределение интенсивности в отличии, например, от случая поляризационного вывода излучения [19].
В работе [19] исследовалась эволюция излучения, содержащегося в дифракционном керне, для различных увеличений резонатора. На Рис.1.2 и Рис.1.3 приведена денситограмма поперечного распределения излучения в фокусе линзы с фокусным расстоянием Р = 2 м и осциллограмма излучения в дальней зоне для М « 3.5. Как видно из Рис. 1.3 излучение промодулировано во времени с периодом 21Ус (с -скорость света), равному времени обхода резонатора, а диаграмма направленности имеет ступенчатый вид. Данные результаты хорошо согласуются с расчетными значениями, полученными в работе [21], согласно которой расходимость выходного излучения после 1-го обхода резонатора равна е( = 0(1-1/МуьМ<ы> (1.3)
где О - диаметр выходной апертуры, Ь - расстояние между зеркалами, увеличение М = Р. 1^2 радиусы кривизны вогнутого и выпуклого зеркал, соответственно).
В работе [22] исследовалось формирования расходимости излучения КгБ-лазера, возбуждаемого электронным пучком с длительностью 55 не. С неустойчивым конфокальным резонатором (М = 5) регистрировалась форма импульса выходного излучения, прошедшего диафрагму диаметром с1 = 1 мм, расположенную в разных местах фокального пятна. Было показано, что время достижения максимальной интенсивности возрастает с приближением диафрагмы к центру пя тна. Для объяснения
- Київ+380960830922