Импульсные газовые лазеры, возбуждаемые самостоятельным разрядом с автоматической УФ-предионизацией

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.............................................................6
Глава I. Импульсные системы накачки лазеров высокого давления, возбуждаемые самостоятельным разрядом с автоматической УФ-предионизацией...................................................13
1.1. Механизмы возбуждения инверсной среды С02. N2, Си и эксимерных лазеров.............................................13
1.1.1. СОг-лазер с передачей энергии.......................13
1.1.2. N3 и Си-лазеры с прямым возбуждением................18
1.1.3. Эксимерные лазеры на галогенидах благородных газов .......................................................19
1.2. Требования, предъявляемые к электроразрядным системам накачки газовых лазеров высокого давления..................21
1.3. Электроразрядные системы накачки и предионизации
СОг, N2 и эксимерных лазеров..............................26
1.4. Газовая система и способы приготовления рабочих смесей.........................................................49
1.5. Аппаратура, методика эксперимента и обработка экспериментальных данных............................................51
Глава II. Молекулярные СО2 и Кг-лазеры, возбуждаемые самостоятельным разрядом с УФ-предионизацией......................55
2.1. Молекулярные электроразрядные ССЬ-лазеры.................55
2.1.1. С02-лазер с двойным разрядом .......................58
2.1.2. С02-лазср с квазистационарным режимом накачки 61
Выводы.....................................................69
2.2. Азотные ТЕ-лазсры низкого давления.......................69
2.2.1. Азотные лазеры с УФ-предионизацией..................78
2.2.2. Азотные лазеры с продольной накачкой и УФ-
предионизацией ........................................87
Выводы.....................................................93
Глава III. Си-лазер с накачкой самостоятельным поперечным разрядом и импульсным созданием паров.............................94
3.1. Историческая справка......................................94
3.2. Импульсный режим получения высокой концентрации атомов паров меди за счет взрыва проводников в вакууме 96
Выводы....................................................105
3.3. Возбуждение паров меди поперечным самостоятельным разрядом.....................................................105
Выводы....................................................113
Глава IV. Эксимерные электроразрядные лазеры с автоматической
коронной УФ-предионизацией....................................115
4.1. Эксимерные лазеры на молекулах ЮТ, ХеГ и ХсС1, возбуждаемые быстрым разрядом...................................116
4.2. Объемный самостоятельный разряд в Ы2, Не и смесях Не:Хе:СС)4...................................................120
4.2.1. Объемный разряд в Ы2...............................120
4.2.2. Объемный разряд в Не...............................123
4.2.3. Объемный разряд в Не:Хе:ССЦ........................125
4.3. Объемный самостоятельный разряд в Аг и смесях
Аг:Хе:ССЦ................................................129
4.3.1. Особенности развития объемного разряда в Аг........130
4.3.2. Объемный разряд в смесях Аг:Хс:СС1.,...............133
4.4. ХеС1-лазер с двухконтурной схемой накачки................136
4.4.1. ХеС1-лазер с быстрым режимом возбуждения...........143
4.4.2. ХеСІ-лазер с квазистационарным режимом возбуждения (историческая справка)..............................149
Выводы...................................................153
Глава V. Эксимерные электроразрядные лазеры с автоматической
искровой предионизацией.....................................154
5.1. Режимы возбуждения с искровой предионизацией в обо-стрительном контуре..........................................154
Выводы...................................................166
5.2. Режимы возбуждения с искровой предионизацией в накопительном контуре..........................................166
5.2.1. Квазистационарный режим возбуждения с буферным газом Ne..............................................171
Выводы...................................................183
5.3. Быстрый режим возбуждения ХеСІ-лазера с продольным разрядом и УФ-предионизацией ...............................183
Выводы...................................................192
Глава VI. Эксимерные электроразрядные лазеры с автоматической
плазменной предионизацией...................................194
6.1. Быстрый режим возбуждения ХеС1 и XeF-лазеров с плазменным электродом и буферными газами Аг, Не и Нс:Аг 194
Выводы...................................................203
6.1.1. Быстрый режим возбуждения XeCl, XeF и KrF-лазеров с плазменными электродами и буферными газами Аг, Не и Не:Аг.....................................203
Выводы...................................................209
6.2. Квазистационарный режим возбуждения и генерации с плазменными электродами и буферными газами Аг, Не и Не:Аг........................................................211
Выводы....................................................217
6.2.1. Квазистационарный режим возбуждения и генерации с буферными газами Ые и Ые:Не.........................218
Выводы...........................1........................232
6.3. Особенности формирования объемного самостоятельного разряда для смесей Ке(Не):Хе:НС1 при квазистационар-
ном режиме накачки.......................................233
6.3.1. Устойчивость разряда в смесях инертных газов с галогенами..................................................234
Выводы....................................................258
6.3.2. Самоподдсрживающийся самостоятельный разряд в эксимерных смесях с УФ-предионизацией.....................259
6.4. Историческая справка....................................264
Выводы.............................................................271
Заключение.........................................................272
Приложение.........................................................278
Литература.........................................................284
6
Введение
Газоразрядные лазеры составляют в настоящее время один из наиболее многочисленных классов оптических квантовых генераторов (ОКГ). Они перекрывают спектральный диапазон от вакуумного ультрафиолета до субмилл и метровой области спектра. Наиболее привлекательным считается импульсный режим генерации, так как удастся получить лазерное излучение на значительно большем числе активных сред и переходов, а также в более широкой области спектра но сравнению с непрерывным.
В конце 60-х годов появились первые работы, в которых успешно применялся поперечный разряд для накачки Ы., СО, и Си - лазеров Однако, характеристики излучения были далеки от предельных, что обуславливалось нестабильностью объемных разрядов, используемых для накачки лазеров. Данная проблема стала ключевой после открытия экси-мерных лазеров на новых многокомпонентных активных средах. Практический интерес к ним был связан с их высокими параметрами УФ-излучения, частотными режимами работы, надежностью в эксплуатации и экономичностью для применений в новых технологиях: фотолитографии* фотохимии. медицине, биологии и т.д. Одной из перспективных областей применения считается атмосферная оптика: спектроскопия и дистанционное зондирование параметров атмосферы. Гак, для высотного зондирования атмосферы эффективно используются мощные СО;, Си и эксимерные лазеры.
В соответствии с вышесказанным, целью данной работы, начатой в начале 70-х годов, являлось исследование и создание мощных импульсных лазеров высокого давления, возбуждаемых самостоятельным разрядом с УФ-предионнзацней, на наиболее перспективных средах СО;, Си. N. и эк-симерных для задач атмосферной оптики и других применений. Для дос-
7
тижения этой цели было необходимо решение следующих принципиальных задач:
1. Исследования областей существования объемных самостоятельных разрядов и особенностей их поддержания при высоких давлениях в многокомпонентных газовых средах.
2. Исследование режимов возбуждения, а также энергетических, временных и спектральных характеристик генерации лазеров ИК, видимого и УФ-диапазона.
3. Создание эффективных систем накачки лазеров на основе самостоятельных разрядов высокого давления с УФ-предионизацией.
4. Разработ ка действующих образцов мощных лазеров.
Поставленные задачи решались частично путем теоретического анализа и расчета, а в основном экспериментально.
Научная новизна
1. Впервые показана возможность значительного увеличения длительности импульсов излучения ХеС1-лаэера, возбуждаемого самостоятельными объемными разрядами со стабилизацией автоматическими источниками УФ-нзлучения в течение всего времени горения в активных средах различного состава:
• с коронной прсдионизацней в гелиевых и в аргоновых смесях обеспечивалась длительность разрядов до 100 не;
• с искровой предионизацией в гелиевых смесях - до 400 не, в аргоновых - до 200 не и в неоновых - до 300 не;
• с плазменной предионизацией в гелиевых смесях - до 1 мкс. в аргоновых - до 300 не и в неоновых - до 500 не.
2. Впервые предложен и экспериментально реализован для ХеО-лазера квазистационарный режим возбуждения и генерации самостоятельным
8
разрядом с УФ-предиошпацией. Данный режим независимо от типа пре-дионизации определяется удельными мощностями накачки, вкладываемыми в быстрой и квазнстационарной стадиях разряда.
3. Впервые показана возможность увеличения удельных параметров излучения электроразрядного ХеСІ-лазера и достижения режима одновременной генерации на молекулах ХеСІ и атомарном Хе путем замены буферного газа гелия на аргон.
4. Впервые предложена и экспериментально реализована накачка экси-мерных лазеров с использованием плазменного электрода на основе поверхностной плазмы источника коронного разряда.
5. Показано, что увеличение интенсивности и длительности УФ-предионнзации в сочетании с составом активной среды приводят к существенному увеличению удельных параметров излучения ХеСІ-лазера и увеличению длительности импульсов генерации за счет квазистационар-ного режима возбуждения активной среды.
6. Впервые достигнуты рекордные удельные параметры излучения медного лазера при импульсном способе получения паров меди с возбуждением самостоятельным поперечным разрядом (2.4 Дж/см: и 120 кВт/см5 >.
7. Впервые предложено использование квазмстационарного режима возбуждения в С02 и К2-лазсрах для управления выходными параметрами генерации.
Практическая значимость работы заключается в том. что на основе проведенных исследований и разработанных лабораторных образцов был создан ряд компактных электроразрядных экси мерных и азотных лазеров для широкого практического применения. Показана перспективность применения УФ-лаэеров для упрочнения поверхностных слоев металлов и изменения свойств поверхностных слоев полупроводниковых материалов.
9
• Найдено решение проблемы получения длинных импульсов генерации для элсктроразрядных эксимсрных лазеров. Полученные результаты являются важными при получении генерации пикосекундных импульсов в режиме синхронизации мод или сужения линии генерации. Благодаря низкой пиковой мощности такие лазеры могут обеспечивать повышение энергии и средней мощности излучения, передаваемой по кварцевым волокнам.
• Применение буферного газа Дг в активной среде электроразрядного ХсС1-лазера обеспечивает при условии использования мощных источников предионизацни удельные параметры генерации, которые могут превышать аналогичные параметры
в смесях с другими буферными газами (Не, Ые). В лазере ЭЛИ-91МТ при частоте следования импульсов генерации 50 Гц и их длительности 60 не была получена в аргоновых смесях энергия излучения 50 мДж и средняя мощность излучения 2.5 Вт с удельной энергией
0.7 Дж/л-атм; в неоновых смесях - 50 мДж, 2.5 Вт, 0.3 Дж/л-атм; в гелиевых смесях - 25 мДж, 1.25 Вт. 0.2 Дж/л-атм, соотвественно.
• Разработаны и реализованы лабораторные и опытные образцы мощных малогабаритных и миниатюрных азотных и эксимсрных лазеров: УФИЛ-3(4), ЭЛАН-01М. ЭКСИК-Ц2), ЭКСИ-1. ЧЭПЛ-5, ЭКСИК-01М, ЭКСИК-01 г\
• На основе лазера ЭЛАИ-01 М создан универсальный лазер ЭЛАН-02М, работающий на молекулах (N3, С02, Аг1". Кг1". ХеСГ и ХеК').
• Создана установка с поперечным разрядом возбуждения и импульсным получением паров металлов (за счет взрыва проводника в вакууме) для исследования их предельных параметров излучения. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых электроразрядных лазеров высокого давления.
10
Научная ценность работы может быть проиллюстрирована рядом результатов изменяющим, ранее сложившиеся представления о самостоятельных поперечных разрядах, применяемых для газовых лазеров:
1. Обнаружен и исследован принципиально новый способ формирования самостоятельного объемного разряда в тяжелых инертных газах и аргоновых смесях высокого давления ХеС1-лазера в перенапряженных промежутках, где обеспечиваются условия формирования плазменного электрода за счет источника УФ-излучсния. В результате этого основной объемный разряд развивается в промежутках, состоящих из металлического и плазменного электродов, и обеспечивает удельные энерговклады в активную среду до 300 Дж / л • атм.
2. Показано, что в эксимсрных смесях высокого давления возможно получение длинных объемных разрядов, возбуждаемых самостоятельным разрядом стабилизированным УФ-предионизацией. В смесях 11е:Хе:НС1 получены объемные разряды длительностью до I мке за счет стабилизации разряда плазменными электродами в двухконтурной схеме питания с накопительной электрической линией в виде 1_С-звсньев.
3. Предложен и экспериментально реализован квазистационарный режим возбуждения эксимерных лазеров самостоятельным разрядом С УФ-предионизацней, обеспечивающий длинные импульсы излучения, который позволяет обеспечивать оптимальные удельные мощности накачки > 1 МВт/ см5 в быстрой и < 0.2 МВт/ см5 в квазистационарной стадиях разряда.
4. Предложены и экспериментально реализованы импульсные способы получения паров меди (за счет взрыва проводника в вакууме) и возбуждения паров меди самостоятельным поперечным разрядом. Для С/и -лазера получены рекордные удельные параметры излучения: О - 2.4 Дж / с.м' и \У = 120 кВт / см5.
11
Использование результатов работы и внедрение
• Результаты научных исследований использованы в СКЬ НП "Оптика" СО РАН при конструкторско-технологической разработке эксимерных лазеров ЭКСИ-1 иЧЭПЛ-5.
• Малая серия лазеров ЭЛАН-01М изготовлена на Опытном заводе СО РАН г. Новосибирск для использования в институтах Сибирского отделения РАН.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на 10 Международных, 14 Всесоюзных и 2 региональных конференциях. На разработки по теме диссертации получено 4 авторских свидетельства, материалы изложены в более 60 статьях в научных журналах, сборниках и отчетах.
Защищаемые положения
1. Стабилизация автоматическими источниками УФ-излучения (коронным, искровым или плазменным разрядом) самостоятельных объемных разрядов в течение всего времени горения позволяет увеличивать на один, два порядка время горения разрядов и реализовать квазистационарный режим возбуждения и генерации ХеС1-лазера с длительностью импульсов излучения 50-400 не.
2. Использование буферного газа аргона вместо гелия для ХсС1 и ХеР-лазеров позволяет увеличивать их энергию излучения в 1.5 и 2 раза, соответственно. а также получать одновременную УФ и ИК генерацию на молекулах ХеСГ и атомарном Хе.
3. Экспериментально обнаруженный (в тяжелых инертных газах и аргоновых эксимерных смесях) новый способ формирования самостоятельного объемного разряда в промежутках, в которых один из электродов является металл, а другим - поверхностная плазма источника УФ-излучения, по-
зволил разработать и показать высокую эффективность плазменного электрода на основе коронного разряда для эксимерных лазеров.
4. Обнаружен эффект влияния интенсивности и времени существования УФ-предионизацми на параметры излучения эксимерного лазера. Рост интенсивности источника УФ-излучения позволяет повышать удельные параметры излучения ХеС1-лазера за счет выбора более »ффективного буферного газа, а увеличение времени работы источника УФ-излучения позволяет увеличивать длительность импульсов генерации за счет квазнста-иионарного режима возбуждения активной среды.
5. Импульсный способ получения паров меди за счет взрыва проводника в вакууме с последующим возбуждением самостоятельным поперечным разрядом позволяют получать рекордную удельную мощность и энергию излучения для медного лазера.
6. Применение квазнстационариого режима возбуждения в СО, и ІМ,-лазерах позволяет управлять их выходными параметрами генерации.
13
Глава I. ИМПУЛЬСНЫЕ СИСТЕМЫ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ВОЗБУЖДАЕМЫЕ САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ УФ-ПРЕДИОНИЗАЦИЕЙ
1.1. Механизмы возбуждении инверсной среды С02. N2. Си
и эксимерных лазеров
Нами были разработаны и исследованы оригинальные СО>, N2, Си и эксимерные лазерные системы. Общим, что объединяло исследование данных типов лазеров было использование в качестве источника накачки самостоятельного разряда с различными типами автоматической УФ-прсд-ионизации. Эти системы накачки обеспечивали “быстрый” режим разряда, однако в результате его детального исследования нами был обнаружен новый квазистационарный режим разряда, обеспечивающий длинные импульсы г енерации. Данные режимы накачки позволяли лазерам на вышеназванных активных средах работать при повышенных давлениях с высокой эффективностью. Хотя, следует отметить, что эти лазеры относятся к разным классам по механизму возбуждения.
1.1.1. С02 - лазер с передачей энергии
Активной средой СОз-лазера служит возбужденная электрическим разрядом газовая смесь С02, N2 и Не. Упрощенная диаграмма колебательных уровней основного электронного состояния молекул СОл и Ы2 приведена на рис. 1.1,0. Генерация лазерного излучения происходит на колебательно-вращательном переходе основного электронного состояния молекулы С02 11, 2]. Энергия уровня и= 1 молекулы N2 поч ти совпадает с энергией верхнего лазерного уровня V* молекулы С02. поэтому между указанной парой уровней происходит быстрый обмен энергией [3, 4] Уровень молекулы N2. непосредственно возбуждаемый при столкновениях с электронами, является метаста-
ы
Е, эв
2р
I/
и
I/
Си1
06
1 1.4
<?
1.8 Л. А
Рис. 1.1. Упрощенные диаграммы энергетических уровней С02, Си, л ХеС1-лазсров
15
билысым, поэтому используется для селективного и эффективного возбуждения уровня V, молекулы СО.. Следовательно, в СО,-лазере осуществляется механизм возбуждения с передачей энергии от молекулы Ы,, характерный для непрерывных лазеров. Кроме того, в газовой смеси имеет место и прямое возбуждение СО; за счет столкновений с электронами [1,5, 6]. Релаксация ннж-ссего лазерного уровня происходит при возвращении молекул СО, в основное состояние через уровень V, (ОГО), скорость расселения этого уровня может ограничивать скорости остальных процессов в лазере [5, 7]. Так как уровень (ОГО) лежит вблизи основного состояния, температуру газа необходимо поддерживат ь низкой, чтобы предохранить этот уровень от теплового заселения [8]. Наличие Не в газовой смеси способствует охлаждению газа и увеличению скорости релаксации нижнего лазерного уровня.
Вышеназванные работы, сформировавшие четкие иредставлвения о механизме возбуждения СО.-лазера электрическим разрядом заложили основу для дальнейшего бурного развития физики импульсных газовых лазеров высокого давления. Важным этапом последующих исследований стали работы авторов [9, 10], в которых был применен поперечный са-
мостоятельный разряд, обеспечивающий лазерную генерацию в смесях СО,:К:Не при атмосферном давлении. В дальнейшем этот тип накачки получил название - ТЕА.
Для повышения энергии излучения и коэффициента полезного действия (д) ТЕА-лазеров необходимо было детальное понимание физики импульсных самостоятельных разрядов, которые могли бы обеспечивать эффективную передачу энергии от электронов колебательным уровням СО; и N.. А для этого требуется знание шютносги электронов (лД распределения их по энергиям
(Ду)]. средней энергии электронов (и) и поперечных сечений возбуждения состояний И,. СО., Не электронами, Существенный вклад в данный вопрос внесла теоретическая работа \У.Ь. ЬЛДап [11], которая определила дальней-
16
шис исследования многих экспериментаторов В этой работе были проведены численные расчеты функции распределения электронов для различных условий электрического разряда, интересных с практической точки зрения. На основании вычисленной функции распределения электронов и найденных экспериментально значений поперечных сечений W.L. Nighan определил относительную долю энергии, идущую на возбуждение электронных уровней, ионизацию и колебательные возбуждения молекул N2 и С02, как функцию отношения напряженности внешнего электрического поля к плотности рабочих частиц (£' / N ). В дальнейшем этот параметр станет одним из основных для газовых ТЕА-лазеров, возбуждаемых самостоятельным разрядом с УФ-предионизацией Используя экспериментальные данные для поперечных сечений W.L. Niglian получил также численные решения больцмановских уравнений для газовых смесей различною состава и значений Е /N в широких пределах (рис. 1.2). В дальнейшем, как будет показано, этот подход нами применен для исследования объемного разряда и режимов возбуждения для эксимерных лазеров (12] Кроме того, W.L. Niglian вычислил долю энергии электронов, передаваемую на колебательные и электронные возбуждения С02 и N2, как функцию давления газа, считая F ! N параметром. Так, для N2 при значении ЕIN - 10”Ь Вхсм2 энергия, передаваемая от электронов молекулам, приблизительно поровну делится между колебательными и электронными возбуждениями (рис 1.3). Увеличение Е/N приводит к уменьшению колебательного возбуждения, т.е. к уменьшению эффективности
9
накачки С02-лазера. С другой стороны, увеличение возбуждения электрон-
Ылыиих 15 2
ных состояний N2 прн'СЕ/N ~5х 10" Вхсм" характерно для накачки азотного лазера [13], а для TEA С02-лазеров типичное значение Е ! N лежит в области 2-8 х 10 16 В х см' (14].
17
Рис. 1.2. Зависимость средней энергии электронов 7/от П! N в N2, С02 и смеси C02:N2:He [111
Ко.уеСминя
(f-l-8)
Uo'jGÿ’jKjumie
"ЛЛСКТрОННЫХ
сххгояний
Рис. 1.3. Доля энергии электронов, переходящей в возбуждение N2 [13]
Рис 1.4. Типичные схемы импульсных источников для возбуждения газовых лазеров и соответствующие им осциллограммы напряжения на промежутке и тока разряда [44]
О
18
1.1.2. N2 и Си -лазеры с прямым возбуждением
Лазеры с прямым возбуждением верхнего лазерного уровня электронным ударом кажутся простыми устройствами, однако, их практическая реализация вызывает определенные затруднения Эти трудности связаны с необходимостью найти такие рабочие частицы, процессы и условия возбуждения, в которых селективно заселяются верхние лазерные уровни этих частиц
К данному классу атомарных лазеров относится лазер на парах меди [15]. Как показано на рис. 1.1.6, атомы меди, возбуждаемые электронным ударом, переходят из основного состояния 4Э.’ во второе возбужденное состояние 42Р. Для инверсии константа прямого возбуждения нижнего лазерного уровня 4‘О в расчете на единицу статвеса должна быть много
2
меньше, чем константа возбуждения состояния 4 Р. Благодаря простой схеме энергетических уровней в этом лазере энергия электронов разряда эффективно используется для заселения верхнего лазерного уровня. Однако, лазер на парах меди может работать лишь в импульсном режиме, поскольку нижний уровень метастабильный.
Возбуждение электронных состояний двухатомных молекул в процессе прямого электронного удара позволяет создать лазеры с широким набором длин волн генерации (рис. 1.1, в). “Классическим” лазером данного типа является азотный [16]. Верхний лазерный уровень азота (С ’л*) заселяется в процессе возбуждения при столкновениях электронов с молекулами N2, находящимся в основном состоянии X 'е./ причем сечение этого процесса больше, чем сечение возбуждения колебательных состояний нижнего лазерного уровня азота (И 3ПХ). Лазерная генерация осуществляется на переходе 0-0 системы С-В (вторая положительная система) на длине волны 337.1 нм. В целом, азотный лазер характеризовался низкой энерг ией
19
в импульсе и небольшим 11-0.1 %, что также обусловлено накоплением частиц в процессе возбуждения на нижнем метастабилыюм лазерном уровне.
1.1.3. Экашерные лазеры на галогенидах благородных газов
Поиск новых, более эффективных и высокоэнерг етических активных сред видимого и ультрафиолетового диапазона, привел к созданию экси-мерных лазеров. Впервые авторы [17] при изучении АгО и ArCI наблюдали интенсивную УФ флуоресценцию галогенидов инертных газов. В начале 1975 г. эти результаты были подтверждены в работе [18] Авторами [18] был предложен новый класс лазеров на основе галогенидов инертных газов. S.K. Searles и G.A. Hart первыми получили вынужденное излучение на молекуле XeBr (X - 281.8 им) при возбуждении электронным пучком [19]. В работе [20] были вычислены длины волн стимулированного излучения для ряда молекул моногалогенидов инертных газов (XeBr, XeCI, ХеГ и KjF), которые оказались в хорошем согласии с экспериментальными результатами [21]. Впервые стимулированное излучение на молекулах (XcF, KrF и ArF) при возбуждении самостоятельным разрядом наблюдалось рядом авторов [22-26].
В 1977 г авторами [27, 28] была показана возможность получения генерации на молекуле XeCI при возбуждении самостоятельным разрядом
Образование экенмерных молекул происходит при двухчастичных столкновениях возбужденных атомов инертного газа и молекул или атомов галогена. В результате химической реакции образующиеся электронно-возбужденные галогениды инертных газов первоначально находятся на высоких колебательных уровнях. При столкновении с буферным газом (Ar, Ne или Не) они рслаксируют на нижние колебательные уровни Лазер-
20
нос излучение, как правило, для всех молекул инертных газов возникает на
элехгрскхого
переходе с нижнего колебательного уровня верхнего'состояния на разлет-нос нижнее состояние для всех галогегадов, за исключением ХеР и ХеС1, для которых нижнее состояние является связанным (рис. 1.1. г ) [29].
Энергия, вводимая в газовые смеси разрядом, может идти как на образование метастабильных атомов [25, 30], так и на образование ионов инертных газов [31, 32]. Если преимущественно образуются мстастабиль-ные атомы инертного газа, тогда должны протекать следующие основные процессы, согласно [30,33]:
1. Возбуждение атомов
ё + Л'->Х* + ё (1.1)
2. Возбужденные атомы реагируют с донорами галогенидов ИГ. В результате образуются электронно-возбужденые молекулы галогенидов инертных газов (реакция гарпунного типа).
X * + ІІГ -> ХГ *(и) + Я (1.2)
которые после колебательной релаксации в столкновениях с буферным газом
ХГ*(ъ) + Не (Ые, Ат) -» ХГ*(0) + Не (Ые, Аг) (1.3)
распадаются, испустив квант свсга
ХГ*(0)->Лу + Х + Г. (1.4)
В этом случае основным процессом дезактивации возбужденных молекул считаются столкновения с донорами галогенидов [33].
ХГ*Н<Г^Х + Г+ КГ. (1.5)
3 Ионы инертного газа и галогенидов образуются согласно следующих реакций [34, 35]:
Х + ё-»Х+ + 2ё (1.6)
2!
Х* + ё-»Х+ + 2ё
(1.7)
Г + е ->Г".
(1.8)
Вероятность образования ионов инертного газа и галогенидов велика [361, ПРИ этом основным процессом считается ступеїгчатая ионизация (1.7). В результате трехчастичных столкновении образуются электронновозбужденные молекулы галогенидов инертных газов (МГИГ):
В зависимости от условий возбуждения (режима возбуждения) самостоятельным разрядом с УФ-предионизацией, рабочих давлений, буферного газа (Не, Ке и Аг) и МГИГ возможен тот или иной, а также одновременно оба механизма образования эксимерных молекул. В разделах работы, посвященных эксимерным лазерам, это показано экспериментально.
1.2. Требования, предъявляемые к электроразрядпым системам накачки газовых лазеров высокого давления.
На основании рассмотренных работ [25, 37-39] по механизмам образования активных сред и генерации СОг, Ы*, Си и эксимерных лазеров высокого давления, для их накачки требуются мощные короткие импульсы возбуждения. Длительность импульса накачки ограничена устойчивостью горения тлеющего разряда высокого давления. Время его существования можно увеличить как за счет дополнительного источника УФ-предионизации, так и уменьшения подводимой к разряду энергии, однако в этом случае порог генерации удается превзойти лишь незначительно [30, 37, 40] Поэтому необходимо вкладывать как можно больше энергии в разряд до возникновения неустойчивостей [41-44]. Энергия, подводимая в течении устойчивой стадии разряда, определяется:
Не (Ые, Аг) -г Х+ + Г~ -> ХГ* + Не (Ие, Аг).
(1.9)
22
1.(/„р - напряжением в момент пробоя, которое зависит от времени нарастания напряжения на разрядном промежутке;
2. скоростью подвода энергии, которая непосредственно связана с временем нарастания разрядного тока;
3. условиями согласования импедансов источника энергии и разрядного промежутка, т.е. активного газового объема.
В зависимости от типа схемы накачки и режима возбуждения возможны изменения перечисленных параметров. Идеальной же схемой накачки является такая, которая обеспечивала бы оптимальные вышеперечисленные параметры, предъявляемые к энергии вкладываемой в разряд.
Следовательно, выбор типа импульсного источника накачки и его параметры в значительной мере определяют количество энергии, вкладываемой в газ или газовые смеси, а соответственно энергетические параметры лазера. При создании газовых лазеров широкое применение нашли высоковольтные импульсные источники, классификация которых наглядно представлена на рис. 1.4 [44]. В данной работе все
перечисленные источники накачки применялись по мерс накопления знаний лазерной физики по каждому классу ОКГ. Классическими импульсными высоковольтными источниками являются генераторы Аркадьсва-Маркса (А-М) и Блюмляйна (Бл-н), позволяющие получить на нагрузке в п раз увеличение зарядного напряжения. Кроме того, особенностью генератора Бл-на считается то, что он выполнен на отрезках линий с распределенными параметрами. На рис. 1.4 представлены IX и Я С - инверторные генераторы Принципиальная схема каждого из генераторов может быть приведена к одноконтурной схеме замещения (б). Накопительные конденсаторы этих схем (б - г) могут заменяться на отрезки линий с распределенными параметрами (а ), а также на генераторы (А-М) или (Бл-н).
23
Более эффективные и сложные с точки зрения выбора параметров генератора являются двух- и трехконтурные источники питания («, г), в которых параллельно нагрузке, те. основному лазерному промежутку устанавливается дополнительная емкость, получившая название “обостряющая емкость” (Cœ). Она выполняется в виде ряда конденсаторов, расположенных вдоль электродной системы. Ее величина может быть в п раз меньше основного накопителя (('„) При зарядке С<* к промежутку на короткое время прикладывается высокое напряжение, обеспечивающее создание плазмы с высокой проводимостью, а ввод основной доли энергии в активную среду может осуществляться при более низких Е : N. При использовании многоконтурных источников питания, в принципе, возможно управление формой импульса генерации. Так, типичные осциллограммы напряжения па электродах и тока разряда приведены на рис I 4 (а г) при использовании вышеперечисленных генераторов накачки.
Поэтому, на основании перечисленных требований к источникам питания газовых лазеров высокого давления, в данной работе основное внимание уделялось исследованию и разработке двух- и трехконт>рных схем накачки с различными дополнительными источниками УФ-нрсдионизации. Для наглядного сравнения преимущества двухконтурного генератора накачки по сравнению с генератором Блюмляйна приведены их эквивалентные схемы замещения рис. 1.5. В эквивалентной схеме замещения генератора Блюмляйна (a): L\ - индуктивность контура перезарядки £j; La - индуктивность основного разрядною контура; Л - лазерный промежуток. Время нарастания напряжения на промежутке определяется индуктивностью Lu а время нарастания разрядного тока через активную среду (после пробоя) индуктивностью Z.2 Эта схема первоначально выполнялась на полосковых линиях Бл-н (С„) для N> или эксимерных лазеров 113, 45, 46), так и на полосковых линиях, состоящих из дискретных конденсаторов Бл-н
24
(С) [23, 47). В первом случае Бл-н (С„) время нарастания разрядного тока мало, так как нет соединительных элементов, соответственно импеданс цепи р = 0.01—0.1 Ом, что приводит к хорошему согласованию с разрядным промежутком (активной средой) [40, 48, 49]. Во втором случае Бл-н (С) Ь2 определяется соединительными элементами конденсаторов, а время нарастания разрядною тока как /^/Яцд (где Кт - динамический импеданс разряда). В этом случае импедаисы цепи на порядок выше, т.е. р •= 0.1 - 1 Ом [40, 48, 50]. Блюмляйн системы хорошо себя зарекомендовали при низких энерговкладах и при получении предельных параметров генерации, в частности, для Т) „их Ыл-лазера [13] или эксимерного [51]. Следовательно, недостатками данных систем можно считать:
1. Ограничение по максимальной выходной энергии излучения, так как разрядные емкости находятся под постоянным напряжением и, соответственно, быстро выходят из строя.
2. Для полосковых линий (с низкой диэлектрической проницаемостью - е), при реализации высоких энергий излучения, возникают проблемы, которые обусловлены как значительными габаритами, так и сложной технологией изготовления. Данные недостатки полосковых линий накладывают ограничения по применению их для частотных режимов работы.
Более перспективные, но сравнению с генераторами Блюмляйна, двухконтурные генераторы накачки. Так, на рис. 1.5,6. приведена эквивалентная схема замещения двухкоитурного генератора накачки: Ц - индуктивность контура зарядки обострительной емкости С2, Ь2 - индуктивность основного разрядного контура В данном случае требования к 1Л снижаются, так как нарастание напряжения на промежутке определяется соотношением емкостей С\1С2. При этом следует учитывать, что емкости С\ и С2 могут быть в виде полосковых линий (с низким е) [52]. В этом случае Ь2 может быть минимальной по сравнению с дискретными конденсаторами.
25
І2
Ґ^Г>Г\
б
Рис. 1.5. Эквивалентные схемы замещения а - генератора Блюмляйна (СЬ-иивертор); б двоконтурного генератора накачки
26
что увеличивает т) азотного лазера до 3 % [53]. Снижение требований к Ь\ позволяет работать данным схемам накачки с высокой частотой повторения при высоких уровнях лазерного излучения, используя в качестве коммутаторов тиратроны [40].
Поэтому, в данной работе основное внимание уделялось разработке и исследованию двух контурных генераторов накачки для различных классов газовых лазеров.
1.3. Электрпразрядные системы накачки а предионизации СО:, Л*
и эксимериых лазеров.
В данном параграфе приведены результаты исследований и разработанные системы накачки с различными автоматическими
источниками предионизации для СОг, N2 и эксимериых лазеров. Так, на рис. 16. приведена принципиальная электрическая блок-схема накачки ТЕЛ СОг-лазера с автоматической коронной предионизацией (за счет вспомогательного разряда через стеклянные трубки, расположенные на катоде) и фотография внешнего вида одной из первых экспериментальных установок, созданных в СССР [54]. В качестве источника питания использовался ГИН с волновым сопротивлением 10 Ом и ударной емкостью 1 нФ. Импульсный генератор позволял подавать на лазерный промежуток импульсы напряжения с амплитудой до 80 кВ На катоде уложены стеклянные трубки с проводниками внутри. При подаче импульса напряжения между катодом и заземленными проводниками возникает разряд, ограниченный диэлектриком. Этот предварительный коронный разряд инициирует самостоятельный разряд в основном промежутке между катодом и анодом. Интенсивная УФ-предионизация и начальные электроны, полученные за счет предварительного разряда, обеспечивали равномерность зажигания основ-
27
мою разряда в широком диапазоне давлений и составов рабочих смесей. Источник питания позволял работать с частотой до 25 Гц. Активный объем лазера составлял У= Ох //х Ь = 1 х 1.2 х 17 см' (где О- межэлектродный промежуток, Н - ширина электродов, Ь - длина электродов). Резонатор длинной 25 см состоял из плоского и сферического зеркала с радиусом кривизны 10 м. Излучение выводилось через отверстие диаметром I мм в сферическом зеркале, которое изготавливалось из кварца с золотым напылением.
На рис. 1.7. приведены схемы накачки азотного лазера на отрезках линий (высоковольтные кабели) с распределенными параметрами (и) [50] и генератором Бл-н (С) с сосредоточенными параметрами [47, 50]. Накопительными элементами, питающими лазерные промежутки (Л), служили полосковые линии С\ и С2, волновое сопротивление которых можно было менять. Нами, впервые полосковые линии были собраны на керамических конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью. В случае (а) высоковольтный импульс напряжения длительностью 60 не, подаваемый на накопительный элемент (С), формировался с помощью зарядной линии рі с волновым сопротивлением 4 Ом, разрядника Р и передающей линии рт (аналогичной линии рі). В случае (б) напряжение на лазерный промежуток подавалось за счет перезарядки полосковой линии (р>) через разрядник. Скорость нарастания и амплитуда напряжения на лазерном промежутке подбирались таким образом, чтобы пробой рабочего газа происходил для всех исследуемых режимов при одном напряжении 25 кВ [50]. Длина лазерных электродов, равная 15 см, оставалась постоянной во всех экспериментах Межэлектродный промежуток изменялся от 0.4 до 3 см, а ширина электродов от 0.2 до 1.2 см. Резонатор состоял из А1 зеркала и кварцевой плоскопараллельной пластины.
28
Р
° ° 1
ній А
)
_ ... . _] 1
Рис. 1.6. Фотография внешнего вида экспериментальной установки ТЕЛ СОг-лазера и принципиальная электрическая блок-схема накачки с использованием вспомогательного разряда через диэлектрик на катоде [54]